一種C波段彈載共形微帶天線陣列設(shè)計(jì)

徐亞偉，郝 汀，蔣智辰

(中國(guó)船舶重工集團(tuán)公司第723研究所，揚(yáng)州 225001)

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一種C波段彈載共形微帶天線陣列設(shè)計(jì)

徐亞偉，郝 汀，蔣智辰

(中國(guó)船舶重工集團(tuán)公司第723研究所，揚(yáng)州 225001)

提出了一種用于彈載設(shè)備的圓柱形天線陣設(shè)計(jì)，并進(jìn)行了仿真，選用一種新型高增益微帶天線作為天線陣元。該天線具有良好的駐波比和波束掃描能力，既可用于彈載設(shè)備，也可用于地面系統(tǒng)，不會(huì)因?yàn)楣残卧O(shè)計(jì)導(dǎo)致天線增益惡化。

微帶天線陣；共形天線；彈載天線

0 引 言

在航空航天領(lǐng)域，由于要考慮到空氣動(dòng)力學(xué)的問(wèn)題，因此常常要求天線具有共形特性。而微帶天線由于其造價(jià)低廉、體積小、易加工、易集成、易共形等優(yōu)點(diǎn)，被廣泛應(yīng)用于航天、通信等行業(yè)。但微帶天線也具有帶寬較窄以及單個(gè)陣元增益低等缺點(diǎn)[1-4]。

為了克服微帶天線的缺點(diǎn)，科研人員進(jìn)行了很多研究，并取得了很大進(jìn)展。拓寬微帶天線頻帶的方法有很多，如增大介質(zhì)層厚度、附加寄生貼片、天線加載等，但這些方法往往是以降低天線增益為代價(jià)的[5-7]。而為了提高天線增益，可以對(duì)微帶天線進(jìn)行組陣。本文首先提出了一種新型微帶天線，為了提高天線增益，對(duì)其進(jìn)行組陣設(shè)計(jì)，用HFSS軟件對(duì)其進(jìn)行了仿真。考慮到共形因素，本文仿真了與半徑為80cm和40cm的彈體共形的天線陣方向圖。仿真結(jié)果表明，天線陣具有良好的駐波比，增益高且不會(huì)因?yàn)楣残卧O(shè)計(jì)導(dǎo)致天線增益惡化。

1 天線陣元設(shè)計(jì)

微帶天線陣元示意圖如圖1所示。天線陣元為正方形貼片，因此諧振長(zhǎng)度為：

(1)

式中：εr=2.2，為天線的介電常數(shù)；fr為天線的諧振頻率。

基片尺寸W=L=50mm，基片高h(yuǎn)=3mm；方形貼片尺寸a=b=20mm。為與50Ω諧振電阻匹配，由公式：

(2)

可以算出饋電點(diǎn)在貼片的對(duì)角線上距離邊線7.5mm處。為了提高天線增益，在高于貼片四周加載3個(gè)高1mm的方形環(huán)金屬片。若是增加四周基片的厚度，可以擴(kuò)展天線頻帶寬度，但同時(shí)也增加了表面波。金屬環(huán)片周期性的分布可以極大地抑制表面波，從而使天線向空間輻射的電磁波增多，進(jìn)一步改善天線增益。方形金屬環(huán)厚度m=1.5mm，尺寸分別為d1=28mm，d2=36mm，d3=44mm；環(huán)間間距相等，均為s=2.5mm。詳細(xì)參數(shù)設(shè)計(jì)見(jiàn)參考文獻(xiàn)[8]。

圖1 天線陣元模型示意圖

使用Ansoft公司的HFSS軟件對(duì)天線單元進(jìn)行仿真，得到的單元天線S11仿真曲線如圖2所示。從圖2可以看到天線單元的諧振頻率為4.3GHz，而S11<-10dB對(duì)應(yīng)的范圍為4.25～4.45GHz。圖3為天線單元仿真的天線增益方向圖，可以看到天線單元的最大增益為7.55dB，3dB波束寬度為86°。

圖2 仿真天線單元S11曲線

圖3 天線單元方向圖仿真

2 天線陣設(shè)計(jì)及仿真

將上述微帶天線單元以線陣形式排列，組成七單元的微帶天線陣，示意圖見(jiàn)圖4。使用HFSS軟件仿真了7個(gè)微帶天線單元在同一平面時(shí)的天線方向圖，其性能如圖5所示。可以看到七單元平面微帶天線陣的最大增益在法線方向，增益為13.91dB，比單個(gè)天線單元提高了6dB，第一副瓣幅度為11dB，且3dB波束寬度只有6°。

圖4 七單元微帶天線陣

圖5 平面天線陣方向圖仿真

由于航空航天領(lǐng)域的載體主要為柱體，因此仿真了微帶天線陣與半徑分別為80cm和40cm的圓柱形彈體共形時(shí)的天線方向圖，其性能如圖6(a)和圖6(b)所示。從圖中可以看到，在彈體半徑為80cm時(shí)，天線最大增益為13.61dB，波束寬帶為6.5°，第一副瓣幅度為10.3dB；在彈體半徑為40cm時(shí)，天線最大增益方向變?yōu)椤?2.5°，最大增益為10.9dB。

圖6 共形天線陣方向圖

表1為平面線陣與2個(gè)共形天線陣的仿真結(jié)果比較，從表中可以看到，隨著共形載體的半徑變小，天線陣的最大增益會(huì)隨之變小，并且最大增益方向會(huì)發(fā)生變化。但在共形載體半徑為80cm時(shí)，天線陣的最大增益并沒(méi)有明顯下降，且最大增益方向并沒(méi)有改變。說(shuō)明在一定范圍內(nèi)，將天線陣與載體共形是可行的。

3 結(jié)束語(yǔ)

本文設(shè)計(jì)并仿真了一種新型微帶天線的平面線陣及與彈體共形后的天線陣列，并對(duì)其進(jìn)行了分析。從天線陣的仿真結(jié)果來(lái)看，對(duì)該微帶天線進(jìn)行組陣設(shè)計(jì)可以有效地提高天線增益，并且在與彈體共形后并不會(huì)造成天線增益的明顯下降，證明本文論述的設(shè)計(jì)方法具有一定的實(shí)用價(jià)值，既可用于彈載設(shè)備，也可應(yīng)用于地面系統(tǒng)。

[1] 商遠(yuǎn)波，于曉樂(lè)，張福順，焦永昌，吳蘊(yùn)軒.C波段高增益圓極化微帶天線陣的研制[J].微波學(xué)報(bào)，2006(6):69-72.

[2]LAIHW，LIPKM.Widebandsmallpatchantenna[J].ElectronicsLetters，2003，39(8)：641-642．

[3] 王菲，李方.一種C波段機(jī)載共形導(dǎo)航天線[J].現(xiàn)代導(dǎo)航，2013(2):120-124.

[4]PORATHR.Theoryofminiaturizedshorting-postmicrostripantennas[J].IEEETransactionsonAntennasPropagation，2000,48(1)：41-47.

[5]KARAHANM，AKSOYE，DEMETS,SAHINKAYAA.DesignofwidebandconformalantennaarrayatX-bandforsatelliteapplications[C]//IEEE，AntennasandPropagationSocietyInternationalSymposium.VancouverBritishColumbia,Canada,2015：397-400.

[6] 鐘順時(shí).微帶天線理論與應(yīng)用[M].西安:西安電子科技大學(xué)出版社,1991.

[7] 孟一波.X波段寬帶微帶天線陣設(shè)計(jì)與分析[D].南京：南京理工大學(xué)，2006.

[8] 梁斌，楊娜.一種新型高增益微帶天線[J].數(shù)字通信，2009(10):62-64.

DesignofAMissile-borneConformalMicrostripAntennaArrayatCBand

XUYa-wei,HAOTing,JIANGZhi-chen

(The723InstituteofCSIC,Yangzhou225001,China)

Thispaperproposesacolumniformantennaarraydesignformissile-borneequipment,andperformsthesimulation,usesanewhigh-gainmicrostripantennaastheantennaelement.Theantennaisofgoodstanding-waveratio(SWR)andbeamscanningcapability,notonlycanbeappliedtomissile-borneequipments,butalsocanbeusedforgroundsystems.Theconformaldesignwillnotmaketheantennagaindeteriorate.

microstripantennaarray;conformalantenna;missle-borneantenna

2016-06-24

TN

A

CN32-1413(2016)05-0067-03

10.16426/j.cnki.jcdzdk.2016.05.017