高動態條件下載體共形天線設計

姚金杰 王 閩 江潤東 張梓鑫 王曉東

(1.中北大學信息探測與處理山西省重點實驗室 太原 030051；2.中國船舶工業系統工程研究院 北京 100094)

0 引言

當今社會，通信制導、導航等產業已成為人們生活不可分割的一部分，而該領域的發展也催生出了很多新型探測設備[1-2]。該類設備工作時，技術人員可通過載體天線收集工作及飛行信息，并對其發出指令，據實際調整飛行體的工作狀態，使其順利完成任務，可見載體天線在飛行體與地面基站的信息傳輸中起著樞紐的作用，其性能的優劣將直接影響飛行體的工作效果，因此對載體天線進行設計具有十分重大的現實意義[3-5]。

載體天線是一種共形天線，它附著于載體表面且與載體貼合。為適應載體的特殊工作環境，目前的載體天線大都是共形微帶天線，多以天線陣的形式出現，如南京理工大學提出了基于泰勒陣列的n串圓柱共形陣列天線，西北工業大學基于直線陣提出的n×n圓柱共形微帶天線陣，中電36所提出的八元縫隙微帶天線陣等[6-9]，以上方法雖然仿真性能比較好，但實現起來卻比較困難。把平面的微帶貼片貼到柱面上可能會造成微帶線的斷裂，天線單元越多，設計的不穩定性因素及難度就越高，且天線單元的增加也是得工程實現時天線排布困難，成本升高；因此，本文提出的載體天線設計方案，以期用盡量少的材料、盡量簡單的結構實現可用于飛行升降段的載體天線。

1 微帶共形單元天線設計

基于實際工作要求，對載體天線提出以下設計指標：天線諧振頻率為1.575GHz，天線增益方向圖法向、軸向均實現定向探測，天線駐波比小于2(S11<-10dB)。

為實現上述方向圖要求，可采取陣列的方式或多個貼片的組合。由于陣列排布十分精密，陣列中貼片數量較多，實際制作天線時，不易操作，且對于雙定向天線而言，陣列天線的排布較全向天線更繁雜，因此本文采用組合貼片的方式對載體天線進行設計及仿真。

根據空腔模型理論，在載體半徑和天線工作波長的數量級相同時，可以根據平面矩形微帶天線的設計方法優化載體矩形微帶天線貼片尺寸和介質的選取。本文中載體天線工作波長約為190mm，載體直徑為120mm，符合上文所述的條件。所以可以先按照平面微帶天線的設計方法對單元天線進行設計。

載體單元天線采用矩形微帶貼片天線模式，其諧振頻率為1.575GHz，傳輸線特性阻抗為50Ω，由于四分之一阻抗匹配器空間利用率較低，此處利用史密斯圓圖并用單支節匹配的方式進行阻抗匹配，載體天線基本結構如圖1所示。

介質基板為柔性材料且相對介電常數為2.55，基板厚度為1mm，由式(1)可計算得到載體天線的最大尺寸，輻射貼片的寬度W

(1)

圖1 單元天線結構示意圖

式(1)中fr為諧振頻率，c為光速，εr為相對介電常數。

輻射貼片的長度L

(2)

其中，修正值

(3)

有效介電常數

(4)

式(4)中，εr為基板相對介電常數，h為基板厚度，w為基板寬度。

由式(1)、(2)可計算得到，載體天線寬度W的最大值和長度L的最大值分別為71.48mm和59.307mm。在HFSS仿真軟件中建立載體天線模型，并針對載體天線的長寬對天線進行優化，得到載體天線的最終尺寸如表1所示。

表1 載體單元天線尺寸(單位：mm)

根據實際結構，在HFSS中建立單元天線的柱面模型，設置工作頻率為1.575GHz，設置最大迭代次數為20，收斂誤差為0.02，選擇快速掃頻的方式，設置掃頻范圍在1GHz～2GHz間，以0.001GHz步進；運行仿真后，最終可得天線反射系數S11的掃頻分析結果圖，以及天線E、H面的增益方向圖。

圖2 柱面天線S11掃頻分析結果

天線E、H面增益圖如圖3所示，其中圖3(a)為天線E面增益方向圖，圖3(b)為H面增益方向圖。

由圖3可知，天線諧振頻率為1.56GHz，在B1頻段范圍內，諧振點處 S參數值為-19.5049dB，駐波比小于2，滿足設計要求，單元天線結構正確。

圖3 單元天線E、H面增益方向圖

2 柱面陣列天線設計

單元天線可實現在某一方向上的頻率收發，若要實現法向、軸向雙定向只需將兩個單元天線進行組合即可，即將微帶天線單元組合形成微帶天線陣列，其將饋電網絡和貼片、振子以及縫隙等輻射單元組合起來，通過饋電網絡激勵輻射單元使各陣元獲得特定的振幅和相位，從而在尺寸不變的情況下獲得理想的輻射特性。通常饋電網絡要求滿足頻帶寬、結構簡單、阻抗匹配和低損耗等一系列要求。串聯饋電和并聯饋電是最常用的饋電形式。

串聯饋電使用傳輸線將天線單元直接連接起來。雖然這種饋電方式對饋電電路的要求相對簡單，且饋線損耗小，饋線長度也相對較短，但卻要考慮各個單元間互相耦合的影響，所以通常要利用迭代法對饋電電路進行設計，所以實際設計上較為復雜。并聯饋電則是通過功率分配器來實現對單元天線進行的饋電的一種方式。功率分配器將輸入功率分配到天線的各個陣列單元從而實現并聯饋電。在并聯饋電中，常用兩路功分器(Splitter)并保持各單元路徑等長構成特定的口徑分布并使。通過調節功分器的分配比和臂長以及饋電方式獲得所需要的幅值和相位，并控制工作帶寬和輸入阻抗。由此可見，并聯饋電的方式雖然網絡較復雜，但相比于串聯饋電而言，設計卻相對簡單，單元天線的調節也較為方便；由于本文設計的天線陣列陣元數目較少，并聯饋電相對更易實現，所以本文中擇優選擇并聯饋電網絡模式。

觀察載體單元天線輻射方向圖可知，單一貼片在平面小可實現某一方向的定向探測。當將平面貼片天線用于柱面時(柱體底面周長大于天線貼片曲邊長的2倍)可發現：天線貼片將在柱體法向上空的一定區域內產生輻射場，軸向亦然，此時單元天線貼片相對位置的排布方式將直接影響天線最終探測結果，而單元貼片天線間的中心距離直接決定天線的相對位置。

目前對載體單元天線中心距離的確定方式主要有：一是根據功分器原理確定；二是依據天線電磁場分布提出的“單元天線間中心距離應滿足四分之一波長”的原則確定單元天線間距。但如果按以上兩種方法進行仿真分析，效果均不能達到預期。根據功分器原理確定的天線單元中心間距與共形柱體直徑有關，當陣列所集成的機械外形發生變化等實驗條件改變時，陣列互耦影響無法避免。所以這兩種單元天線中心距離的確定方法并不適合柱面微帶天線陣列的設計分析。因此本文對載體單元天線貼片間的中心距離從結構上重新設計。法向8字探測的實現需要將兩單元天線在柱體上對稱分布，兩輻射貼片中心距離為所共形柱體底面周長的一半，采用特性阻抗為50Ω的饋線對各陣元進行等幅同相饋電，并采用1.2mm寬的傳輸線連接兩個相鄰貼片，如圖4所示。

圖4 天線陣列結構模型圖

依據實際工作結構，建立基于HFSS的載體共形天線模型。同樣地，以工作頻率1.575GHz作為求解頻率，設置在1.555～1.595GHz頻率區間段進行掃頻，步進為0.001GHz，仿真結果圖如圖5所示。

圖5 共形天線掃頻結果圖

圖6中，圖6(a)為天線E面(法向)增益方向圖，圖6(b)為天線H面(軸向)增益方向圖。

圖6 共形天線E、H增益圖

由圖5可知，天線諧振頻率為1.5615GHz，在B1頻段內，同時諧振點處S參數為-18.6614dB，駐波比小于2，可用于實際；輻射方向圖方面，E、H面為雙8型，可用于導彈升降段的信息采集，并滿足法向定向探測接收，符合設計要求，天線結構設計合理。

3 結束語

本文設計的微帶陣列載體天線，主體結構非天線陣列，而為并聯饋電網絡，大大減小了理論上的參數計算、陣元結構的優化排布難度，此外降低了加工工藝、實際操作難度。論文不足之處在于設計的共形載體天線法向僅能實現衛星信號的定向接收，而非全方位接收，有待于后續的工作研究。