小曲率柱面共形微帶縫隙天線設計

姚鳳薇

(上海電機學院，上海 201306)

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小曲率柱面共形微帶縫隙天線設計

姚鳳薇

(上海電機學院，上海 201306)

研究了小曲率有限長度圓柱體上共形微帶縫隙天線的阻抗特性和方向圖，給出了柱面共形天線駐波曲線和方向圖的仿真結果。實際制作和測試了柱面共形微帶縫隙天線單元,仿真結果與實測結果比較吻合。研究表明當圓柱曲率半徑較小時,方向圖波束展寬,阻抗帶寬減小。

共形；微帶縫隙天線；帶寬

0 引 言

微帶天線由于具有造價低、重量輕、易于批量生產、便于與曲面共形等優點[1]，得到日益廣泛的應用。現代天線設計要更多地考慮環境、設備等因素的影響[2]，如火箭和導彈等高速飛行器，由于嚴格的空氣動力學限制，要求天線共形于其表面[3]；艦船上天線由于多變的海上天氣因素，需要與載體共形保證牢固度等，因此共形微帶天線作為微帶天線的重要分支，一直是人們研究的熱點。

共形微帶天線具有其自身的特殊性，與平面微帶天線有所不同。對于柱面共形微帶天線，一般認為當圓柱半徑大于一個波長時，可忽略圓柱曲率對微帶天線的影響，采用平面模型[4]；而當微帶天線所在圓柱體的半徑比較小時，平面模型和實驗性的方法已不再適用[5]，此時要較為準確地對共形微帶天線進行分析，必須考慮到圓柱曲率對天線的影響。微帶縫隙天線具有較寬的帶寬，且帶寬范圍內方向圖穩定。本文首先對有限接地導體平面微帶縫隙天線進行仿真，在此基礎上研究小曲率半徑柱面上的微帶縫隙天線。

1 平面微帶縫隙天線設計

一般的縫隙天線帶寬為10%左右，為了展寬帶寬可以將縫隙寬度變大，然而隨著縫隙寬度的逐漸增大，縫隙的輻射阻抗也會相應增加，這將直接導致縫隙與微帶饋源的阻抗失配。因此，為了進一步展寬天線帶寬，還需在原本開路的微帶饋線末端添加匹配結構。這里采用在微帶饋線上加載1條電阻為50 Ω的微帶線，形成十字饋源結構。圖1為平面縫隙天線的透視圖，天線正面為矩形縫隙，背面為十字形饋源。

圖1 平面縫隙寬帶天線透視圖

傳統的雙面附銅介質板不能彎曲，顯然不能滿足與口徑D=130 mm柱體共形安裝的要求。經過比較，選擇聚四氟乙烯陶瓷介質基板，天線基片尺寸150 mm×120 mm,介電常數10.2,厚度1 mm。本文的研究基于用AnsoftHFSS10.0TM軟件進行仿真,其分析基于有限元法。圖2為天線中心頻率E面和H面方向圖，由圖2可以看出，該平面縫隙天線為雙向輻射，兩波束寬度分別為68°和56°。

圖3為平面縫隙天線的計算駐波曲線圖，圖中，f0=1.17 GHz,為天線中心頻率;f+=1.68 GHz,f-=0.67 GHz,分別為駐波系數小于2時的最高頻率點和最低頻率點。由圖3可以看出，天線具有寬帶特性，計算得f+:f-=2.5∶1，即駐波系數小于2時，天線相對帶寬為2.5倍頻。

圖2 平面天線計算方向圖

圖3 計算駐波系數

2 柱面共形微帶縫隙天線設計

圖4為采用上述天線結構的柱面共形天線示意圖，柱面口徑為130 mm，柱體高400 mm。利用50 Ω同軸線在圓柱體的邊緣與微帶饋線相連接,對微帶縫隙天線饋電。由于縫隙天線為雙向輻射，為了減少金屬圓柱體內表面對天線的影響，在圓柱體內表面添加了厚度為2 mm的吸波材料。

圖4 柱面共形微帶寬帶天線示意圖

根據計算，共形后天線諧振頻率變高，阻抗帶寬變窄，駐波系數小于2的相對帶寬f+:f-=2.3∶1。以上結果說明柱面對微帶天線的諧振頻率和阻抗帶寬都有一定的影響。

圖5 柱面共形天線計算方向圖

圖5為天線中心頻率E面和H面方向圖，2個面的3 dB波束寬度分別為116°和85°，與圖2相比2個波束分別展寬了48°和29°。這主要是由于柱面口徑遠小于一個波長，天線面彎曲過大，表面電流發生彎曲,最后導致天線波束變寬。

3 柱面共形縫隙天線測試結果

實際加工制作了柱面共形縫隙微帶天線單元,采用Ag8722ES矢量網絡分析儀對天線的阻抗特性進行測量,與計算結果相一致，駐波系數小于2的相

對帶寬f+∶f-=1.9∶1，天線具有較寬的帶寬。圖6為在微波暗室中測量的天線方向圖。實驗測試的中心軸為圓柱體的中心軸，由圖6可以看出，由于在柱體內表面添加了吸波材料，共形天線波束規則，起伏較小，表現為良好的單向輻射特性。

圖6 柱面共形天線測試方向圖

據分析可知,駐波仿真結果與測量吻合良好，方向圖仿真結果和實驗有些差異但大致吻合，造成誤差原因:小曲率共形微帶天線的加工過程比較復雜,這是較難見到此類天線測量結果的原因；在暗室測量時,對共形微帶天線測量面的校準存在一定的誤差;而且在較低的頻率,天線受環境的影響較大。

4 結束語

本文設計了一種小曲率柱面共形微帶縫隙天線。天線共形后與相同平面天線相比帶寬變窄，駐波系數小于2的相對帶寬f+:f-=2.3∶1。由于柱體半徑遠小于1個波長，天線表面電流發生彎曲,波束變寬，測試結果與仿真計算結果一致。

[1] 鐘順時.微帶天線理論與應用[M].西安:西安電子科技大學出版社,1991.

[2] 藤本共榮.移動天線系統手冊[M].楊可忠,井淑華譯.北京:人民郵電出版社,1997.

[3] ERTURK V B,ROBERTO R G.Efficient computation of surface fields excited on a dielectric-coated circular cylinder[J].IEEE Transactions on Antennas propagation,2004(8):1507-1516.

[4] HALL R C,WU D I.Modeling and design of circularly-polarized cylindrical wrap around microstrip antennas[C]//IEEE Antenna & Propagation Society International Sympposium,1996:672-675.

[5] CHEN J S,WONG K L.Theory and experiment of slot-coupled cylindrical rectangular and circular microstrip antennas[C]//IEEE Antenna & Propagation Society International Sympposium,1996:688-691.

Design of Conformal Microstrip Slot Antenna on A Cylinder with Small Curvature Radius

YAO Feng-wei

(Shanghai Dianji University,Shanghai 201306,China)

This paper studies the impedance characteristic and pattern of conformal microstrip slot antenna on a cylinder with small curvature radius and finite length,presents the simulation results of standing wave curve and radiation pattern of cylinder conformal antenna,makes and tests the cylinder conformal microstrip slot antenna unit.The simulation results correspond to the actual measurement data relatively.The research indicates that the beam of pattern will widen and impedance bandwidth will reduce when the cylinder curvature radius becomes small.

conformal;microstrip slot antenna;bandwidth

2016-01-21

國家自然基金資助項目，項目編號：61201116

TN823.24

A

CN32-1413(2016)04-0034-03

10.16426/j.cnki.jcdzdk.2016.04.008