圓柱共形全向圓極化天線的設計與實現

0 引言

隨著現代通信、軍事不斷發展，在雷達、通訊及信息對抗領域中，對共形天線的需求越來越強烈。由于共形天線能與飛行器表面共形，不但能較好地適應其空氣動力性能，而且不會破壞其機械結構和強度，已被廣泛應用于航空、航天等領域。

微帶天線具有體積小、重量輕、剖面低、易共形等優點，已經成為共形陣天線單元的主要形式之一。共形微帶天線由于具有不額外占用空間、不引入任何附加空氣動力阻力、對飛行姿態影響小等優點，使得它在高速運動的物體上，例如火箭、衛星、導彈和各種飛行器等有廣闊的應用前景[1,2]。為了保證在激烈擺動或滾動的載體上接收到信號，并盡可能減小信號漏失的影響，適于采用圓極化的形式，因此研究圓柱共形圓極化天線陣具有良好的工程應用前景。

由于傳統的單個微帶天線的增益及方向性覆蓋性有限，可以用微帶天線陣列來實現[3]。文獻[4]采用微帶八木天線結構形式，設計了一種載體的引向天線，并對天線的增益進行了優化；文獻[5]提出了一種利用保距變換設計寬波束圓柱共形毫米波微帶天線的方法，并利用保角變換設計了天線的饋線；文獻[6]采用旋轉對稱十字型結構的印刷八木天線為基本單元，設計了一種工作于X波段的彈載寬帶圓極化四元陣，微帶共形陣列天線性能得到了一定提高。但仍然存在一定問題，如天線體積過大，不易共形，空間布局不太合理，天線集成度較差、天線調試復雜繁瑣等。本文采用16元微帶貼片天線陣列環繞圓周布局，饋電網絡與天線單元集成在同一介質基板上，易于加工和制作，天線陣列調試方法簡單可靠，天線樣機實用性較強。

1 共形天線單元的設計

圖1所示為平面天線輻射單元結構圖。其中W為方形貼片單元邊長，C為貼片切角邊長，l1和l2分別為微帶調配枝節長度，εr和h分別為介質基板的相對介電常數和厚度。為方便組陣，貼片單元饋電線采用L型調配枝節進行阻抗匹配[8]。

圖1 平面天線單元結構示意圖

方形貼片邊長W和切角C的初值可按照式(1)和式(2)確定：

式中，Δs為切角面積，s為方形貼片面積，Q0為貼片的品質因數，fr為微帶天線諧振頻率，c為光在真空中的速度。

根據微分幾何理論，在曲面的變換中如果變換前后曲面上對應曲線的交角保持不變則該變換為保角變換，如果保持曲面上任意曲線的長度不變則稱為保距變換。保距變換屬于保角變換，但保角變換不一定是保距變換[5,7]。通過采用如圖2所示的保角變換，將圖1中的平面天線單元結構變換成共形天線單元結構，變換后的共形天線結構示意圖如圖3所示。通過引入保角和保距變換來分析共形微帶天線的性能，將復雜的幾何結構映射到簡單結構，大大簡化了共形天線及其陣列的設計。

如圖2所示為保角變換示意圖。對于天線的輻射貼片，保距變換的公式為：

圖2 共形天線保角變換示意圖

由平面單元天線經保角變換后的共形天線結構示意圖如圖3所示。變換后的共形天線單元由方形貼片變為與圓周表面共形的矩形曲面貼片，天線單元及其饋線枝節尺寸變換后均應進行相應調整。

圖3 共形天線單元結構示意圖

2 共形天線陣列的設計

對于共形陣，圓柱上任一輻射單元產生的輻射方向圖都不完全一樣，各個單元間的位置關系并不像直線陣或者平面陣一樣具有線性關系。各個天線單元在圓柱上的位置不同，將造成單元方向圖的最大指向不相同，因此各個天線單元的方向圖在同一方向的增益是不同的，陣列方向圖疊加將變得復雜得多。

如圖4所示為16元圓柱共形陣列天線仿真模型圖。16元微帶天線單元由四級T型一分二功分器進行并聯饋電，實現了天線與饋電網絡的一體化設計。共形陣列天線緊貼圓柱圓周排布，在陣列天線邊緣采用金屬壓條對天線進行安裝，并使用M2螺釘進行固定，使天線在滾動面上實現了全向覆蓋。

圖4 16元圓柱共形陣列天線仿真模型

圖5給出了16元圓柱共形陣列天線在中心頻率處得立體方向圖仿真結果，可以看出，該共形陣列天線在整個空間內最大增益達6.2dBi，最小增益為-18.2dBi。共形陣列天線在圓柱圓周方向增益較強，滿足近似全向空間覆蓋。

圖5 16元圓柱共形陣列天線立體方向圖

圖6給出了16元圓柱共形陣列天線各單元電場分布圖，各單元上電場均沿順時針旋轉分布，在各單元正上方均具備左旋圓極化特性。

圖6 16元圓柱共形陣列天線各單元電場分布圖

3 共形天線陣列制作及測試分析

為共形天線陣列的實物照片如圖7所示。天線制作過程中采用金屬敷層表面鍍金的方法，饋電方式選用同軸電纜直接饋電，饋電接頭為SMA型連接器。天線沿圓柱載體圓周安裝時，通過采用共形天線邊緣的金屬壓條和螺釘對天線進行固定和裝配。通過調整饋電網絡末端的長度，可有效調節共形天線陣列的阻抗匹配情況，該調試方式簡單可靠，顯著提高了共形天線陣列的設計效率。

圖7 共形天線陣列實物照片

用矢量網絡分析儀對天線反射系數進行測試，測量及仿真結果如圖8所示，可以看到，二者在整個頻帶內的走勢趨于一致，測試電壓駐波比曲線與仿真曲線吻合較好，共形天線測試駐波帶寬相對仿真結果較寬，駐波比小于1.5的帶寬大于0.38GHz，滿足了設計要求，同時也驗證了前期的仿真分析工作的正確性。

將被測天線安裝在圓柱載體上，在微波暗室中將其架裝在二維轉臺上，分別測量天線的垂直極化和水平極化分量，從而得出其輻射特性。天線增益為兩極化分量對應的部分增益的合成，絕對增益通過與線極化標準增益天線BJ100波導比較而得到。

圖8 共形天線陣列端口駐波曲線對比圖

圖9和圖10分別為測得的共形天線陣列在滾動面、方位面上垂直、水平極化方向圖。在滾動面內，除個別方向上的凹點外天線增益均在-10dBi以上；在方位面內，由于受到轉臺轉角的影響，在0°方向上增益較低，個別幾個方向上凹點較深，但方向對稱性較好，絕大部分角度增益均在-10dBi以上。

圖11所示為共形天線陣列在滾動面上增益測試與仿真結果對比圖?？梢钥闯? 增益仿真曲線和測試曲線吻合較好，除個別幾個增益凹點相比仿真結果較深外，其余結果基本一致。由于天線測試時受到轉臺及安裝固定的影響較大，因此會造成天線測試結果與仿真結果有一定偏差，但偏差較小，已完全驗證了結果的正確性。

圖9 共形天線陣列滾動面垂直、水平極化方向圖

圖10 共形天線陣列方位面垂直、水平極化方向圖

圖11 共形天線陣列滾動面增益對比圖

4 結論

本文設計了一種16單元圓柱共形圓極化天線陣列，以微帶天線為陣元，圍繞圓柱體圓周均勻布置，實現了全向輻射。饋電網絡和天線單元集成在同一介質基板上，易于加工和制作。通過對饋電網絡饋電線末端長度進行調諧，可顯著改善天線陣列的阻抗匹配情況，調試方式簡單可靠，顯著提高了共形天線陣列的設計效率。最后制作出了天線陣，天線測量結果與仿真結果吻合良好，表明了本文所述的設計方法的正確性。該天線陣具有剖面低、結構緊湊、易于集成、調試簡單等優點，具有很好的實用價值和應用前景。

參考文獻：

[1]張鈞,劉克誠,張賢峰.微帶天線理論與工程[M].北京:國防工業出版社,1998:112-270.

[2]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,1991:127-220.

[3]吳慧峰,王建,饒玉如.K波段微帶天線陣列設計[J].現代雷達,2016,38(11):61-65.

[4]馬凱,王應龍,劉曉磊,等.載體微帶八木天線的優化設計[J].微波學報,2010,35(3):134-135.

[5]毛文輝,朱旗,王少永,等.寬波束柱面共形毫米波微帶天線設計[J].電波科學學報,2008,23(2):272-275.

[6]張彬,許家棟,付鵬,等.一種彈載寬帶圓極化天線陣設計[J].電子設計工程,2014,22(20):75-78.

[7]G.Caille,E.Vourch, and M.J.Martin. Conformal Array Antenna for Observation Platforms in low Earth Orbit, IEEE Antenna’s and Propagation Magazine,2002,44(3):103-104.

[8]張艷君,陳愛新.Ka波段高增益圓極化機載微帶天線陣的設計與實現[J].航空學報,2010,31(6):1245-1249.