X波段全向共形機(jī)載天線的仿真與設(shè)計(jì)﹡

韓振平，錢(qián)祖平，2，倪為民 ，劉宗全

（1. 解放軍理工大學(xué)通信工程學(xué)院，江蘇 南京 210007;2. 東南大學(xué)毫米波國(guó)家重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室，江蘇 南京 210096）

伴隨著雷達(dá)、電子戰(zhàn)和通信系統(tǒng)的飛速發(fā)展，為擴(kuò)大機(jī)載雷達(dá)自身的作戰(zhàn)能力范圍，機(jī)載天線除了要求實(shí)現(xiàn)寬帶工作外，還要實(shí)現(xiàn)寬波束掃描。要求天線在方位面全向輻射，在俯仰面具有一定的波束掃描范圍。這對(duì)天線的設(shè)計(jì)提出了較高的要求。共形天線由于與載體共形設(shè)計(jì)，具有良好的電氣性能、電磁兼容性好、不易受電磁環(huán)境的干擾、較小的雷達(dá)散射截面，這些優(yōu)點(diǎn)使其在航空、制導(dǎo)、雷達(dá)等領(lǐng)域得到了廣泛的應(yīng)用。對(duì)于機(jī)載共形天線，主要關(guān)心天線波束對(duì)空間的覆蓋，一般不要求很高的增益，所要的波束范圍內(nèi)達(dá)到0dB或-2dB即可，一般要求其方向圖在方位面全向，在俯仰面具有一定的波束寬度。

共形天線的載體常用的有圓柱體[1]、圓錐體[2]和球體[3]等多種形狀。考慮到實(shí)際情況，機(jī)體可近似為柱體。常見(jiàn)的共形天線單元有陣子天線、微帶天線、縫隙天線和螺旋天線。其中縫隙天線和螺旋天線共形設(shè)計(jì)以及加工比較復(fù)雜。研究表明，螺旋天線[4]、正旋天線[5]以及橢圓形[6-7],半橢圓形[8]的單極子天線具有不同程度的寬帶寬波束特性。考慮到天線性能需要滿足帶寬和波束寬度要求，本文設(shè)計(jì)的柱面共形天線工作于X頻段，該天線由矩形平面單極天線[9]與柱體共形，通過(guò)共面波導(dǎo)方式對(duì)其進(jìn)行饋電。利用HFSS進(jìn)行仿真設(shè)計(jì)，對(duì)比了平面天線與共形天線的阻抗特性和輻射特性，為下一步共形陣列的研究打下了良好的基礎(chǔ)。

1 平面天線結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)與仿真

平面單極天線結(jié)構(gòu)如圖1所示。選用F4B-2材料的基板，其介電常數(shù)為2.55，介質(zhì)板較薄時(shí)天線易于共形，基板厚度h為 0.2mm，介質(zhì)損耗為0.001，面積為60mm×50mm。介質(zhì)材料厚度較薄，采用微帶饋電時(shí)不易獲得 50Ω的輸入阻抗，因此采用共面波導(dǎo)（CPW）饋電形式。共面波導(dǎo)相對(duì)于微帶線，具有輻射損耗小、色散低、易與其他元器件實(shí)現(xiàn)串并連接，提高電路集成度等優(yōu)點(diǎn)。為獲得 50Ω的特性阻抗，共面波導(dǎo)導(dǎo)帶寬度W1=3.6mm，縫隙的寬度g=0.2mm。

使用HFSS 12.0經(jīng)過(guò)優(yōu)化設(shè)計(jì)，平面天線的主要結(jié)構(gòu)參數(shù)大小如表1所示。

圖1 平面天線結(jié)構(gòu)示意圖

表1 平面單極天線的參數(shù)值（單位：mm）

圖2顯示了平面單極天線的反射系數(shù)曲線。由圖2可看出，回波損耗 S11≤-10dB的阻抗帶寬覆蓋了7.3～12.5GHz，出現(xiàn)了兩個(gè)諧振點(diǎn)，分別為f=8GHz，f=10.1GHz。設(shè)計(jì)的平面單極天線滿足工作于X波段的要求。

圖2 平面單極天線的S11仿真曲線

在諧振點(diǎn)f=8GHz、f=10.1GHz，以及高頻f=12GHz處的E面和H面，方向圖如圖3所示。由圖3可見(jiàn)，平面單極天線的輻射方向圖關(guān)于主軸z軸幾乎是對(duì)稱的，且E面近似為“8”字，H面近似全向輻射。f=8GHz時(shí)，E面最大增益為1.5dB，3dB波束寬度約為120°，H面最大增益為2.3dB，3dB波束寬度約為140°，最大輻射方向偏離主軸30度。f=10.1GHz時(shí)，E面最大增益為2.4dB，H面最大增益為0.5dB，最大輻射方向偏離主軸30度。f=12GHz時(shí)，E面最大增益為3.5dB，H面最大增益為1.7dB，最大輻射方向偏離主軸40度。在整個(gè)工作頻段內(nèi)，輻射穩(wěn)定，滿足機(jī)載天線全向輻射的要求。

圖3 平面單極天線方向圖仿真結(jié)果

2 共形天線仿真分析

如圖4所示為平面單元共形后的結(jié)構(gòu)圖。為增加天線的實(shí)用性，選取圓柱作為共形載體，長(zhǎng)度L=80mm,半徑R=25mm，柱形載體的介電常數(shù)εr=1.03的泡沫材料。

圖4 柱面共形天線結(jié)構(gòu)示意圖

圖5顯示了柱面共形天線的反射系數(shù)曲線。仿真的S11≤-10dB的阻抗帶寬覆蓋X波段，S11在工作頻段內(nèi)下陷深度增大。與圖2中平面單極天線的回波損耗曲線相比，在低頻端的帶寬有所提高。原因主要是共形結(jié)構(gòu)的引入以及載體介電常數(shù)的影響。由圖5可看出，出現(xiàn)了兩個(gè)諧振點(diǎn)，分別為f=8.7GHzf=12GHz，與平面單極天線相比諧振點(diǎn)向右偏移。共形后的天線滿足工作于X波段的要求。

圖5 柱面共形天線的回波損耗仿真曲線

頻率點(diǎn)8GHz、10.1GHz和12GHz的E面和H面方向圖如圖6所示。由圖6可見(jiàn)，與平面天線輻射方向圖相比，共形后的天線方向圖波動(dòng)較大，E面方向圖出現(xiàn)了旁瓣，最大輻射方向偏離z軸一定角度，增益值明顯降低，H面的全向特性在高頻時(shí)惡化。f=8GHz時(shí)，E面最大增益為4.8dB，H面最大增益為4dB，最大輻射方向偏離主軸30度。f=10.1GHz時(shí)，E面最大增益為2.1dB，H面最大增益為0.8dB，最大輻射方向偏離主軸45度。f=12GHz時(shí)，E面最大增益為2.3dB， H面最大增益為1.7dB，最大輻射方向偏離主軸20度。在整個(gè)工作頻段內(nèi)，輻射較穩(wěn)定。與平面天線相比，增益值有所提高，波束寬度增大，輻射特性較好滿足機(jī)載天線全向輻射的要求。

圖6 柱面共形天線方向圖的仿真結(jié)果

3 測(cè)試結(jié)果

依照仿真結(jié)果，實(shí)際加工制作的平面天線與柱面共形天線如圖 7所示。柱體為泡沫材料，載體半徑R=25mm，高度H=120mm。由矢量網(wǎng)絡(luò)分析儀測(cè)得的S11曲線如圖8所示。諧振點(diǎn)與仿真結(jié)果對(duì)比向右偏移，主要是由于在微波暗室測(cè)量時(shí)，共形天線測(cè)量面的校準(zhǔn)存在一定的誤差，此外還有受到環(huán)境的影響以及天線在加工過(guò)程中產(chǎn)生的誤差。測(cè)試諧振點(diǎn)的增益方向圖如圖9所示。與仿真結(jié)果吻合較好，由于高頻時(shí)的波瓣惡化嚴(yán)重，可用頻段覆蓋7.0～12.5GHz。

圖7 加工制作的平面天線(a)與柱面共形天線(b)

圖8 實(shí)測(cè)平面天線和共形天線的S11曲線

圖9 實(shí)測(cè)共形天線的增益方向圖（a）f=8.75GHz (b)f=10.1GHz

4 結(jié)束語(yǔ)

本文設(shè)計(jì)仿真了一種工作于 X頻段的柱面共形天線。首先設(shè)計(jì)了平面單極天線，通過(guò)共面波導(dǎo)方式對(duì)其進(jìn)行饋電。利用HFSS對(duì)平面天線和共形天線進(jìn)行仿真設(shè)計(jì)，對(duì)比平面天線與共形天線的阻抗特性和輻射特性，仿真結(jié)果表明共形后的天線帶寬變大，增益提高，波束寬度展寬。在X波段內(nèi)實(shí)現(xiàn)了低仰角掃描和方位面的全向掃描，阻抗帶寬為7.0～12.5GHz，最大增益可達(dá)4dB，輻射特性穩(wěn)定，滿足機(jī)載天線的性能指標(biāo)。適合用做機(jī)載天線的共形單元，為下一步的陣列研究打下了良好的基礎(chǔ)。

[1]Zhang Zhijun, Gao Xu, Chen Wenhua. Study of Conformal Switchable Antenna System on Cylindrical Surface for Isotropic Coverage.[J]. IEEE Transactions on Antennas and Propagation, 2011, 59(3): 776-783.

[2]Liu Min, Feng Zirui, Meng Fanyi,et al. A 35GHz Cone Conformal Microstrip 4×4 Array [C]. Asia-Pasific Microwave Conference,2007:1127-1130.

[3]Latef TA, Khamas SK. Bandwidth Enhancement of a Hemispherical Helical Antenna using a Parasitic Wire [C].2010 Loughborough Antenna and Propagation Conference,2010:269-272.

[4]Hamad, Alsawaha, Ahmad, Safaai-Jazi. Ultra-wide band Hemispherical Helical Antennas [J]. IEEE Transactions on Antennas and Propagation, 2010, 58(10): 3175-3346.

[5]Song Lizhong, Cong Guojin, Hong Huanfeng. Simulation and Analysis of A Hemispherical Conformal Sinuous Antenna with Four Arms [C]. Proceedings of 2010 IEEE International Conference on Ultra-Wideband, 2010.

[6]Yan X R, Zhong S S, Wang G Y. Compact Printed Monopole Antenna with 24:1 Impedance Bandwidth[J].Electronics Letters, 2008, 44(2): 73-74.

[7]Thomas K G, Sreenivasan M. Printed Elliptical Monopole with .Shaped Ground Plane for Pattern Stability [J].Electronics Letters, 2009, 45(9): 445-446.

[8]Gopikrishna M, Krishna D D, Anandan C K. Design of a Compact Semi-Elliptic Monopole [J]. IEEE Transactions on Antennas and Propagation, 2009, 57(6): 1834-1837.

[9]Lau K. L, Kong K.C, and K. M. Luk. Super-wideband Monopole Patch Antenna [J]. Electronics Letters,2008,44(12).