高動(dòng)態(tài)條件下載體共形天線設(shè)計(jì)

姚金杰 王 閩 江潤(rùn)東 張梓鑫 王曉東

(1.中北大學(xué)信息探測(cè)與處理山西省重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室 太原 030051；2.中國(guó)船舶工業(yè)系統(tǒng)工程研究院 北京 100094)

0 引言

當(dāng)今社會(huì)，通信制導(dǎo)、導(dǎo)航等產(chǎn)業(yè)已成為人們生活不可分割的一部分，而該領(lǐng)域的發(fā)展也催生出了很多新型探測(cè)設(shè)備[1-2]。該類(lèi)設(shè)備工作時(shí)，技術(shù)人員可通過(guò)載體天線收集工作及飛行信息，并對(duì)其發(fā)出指令，據(jù)實(shí)際調(diào)整飛行體的工作狀態(tài)，使其順利完成任務(wù)，可見(jiàn)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(yōu)劣將直接影響飛行體的工作效果，因此對(duì)載體天線進(jìn)行設(shè)計(jì)具有十分重大的現(xiàn)實(shí)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(yīng)載體的特殊工作環(huán)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(xiàn)，如南京理工大學(xué)提出了基于泰勒陣列的n串圓柱共形陣列天線，西北工業(yè)大學(xué)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(shí)現(xiàn)起來(lái)卻比較困難。把平面的微帶貼片貼到柱面上可能會(huì)造成微帶線的斷裂，天線單元越多，設(shè)計(jì)的不穩(wěn)定性因素及難度就越高，且天線單元的增加也是得工程實(shí)現(xiàn)時(shí)天線排布困難，成本升高；因此，本文提出的載體天線設(shè)計(jì)方案，以期用盡量少的材料、盡量簡(jiǎn)單的結(jié)構(gòu)實(shí)現(xiàn)可用于飛行升降段的載體天線。

1 微帶共形單元天線設(shè)計(jì)

基于實(shí)際工作要求，對(duì)載體天線提出以下設(shè)計(jì)指標(biāo)：天線諧振頻率為1.575GHz，天線增益方向圖法向、軸向均實(shí)現(xiàn)定向探測(cè)，天線駐波比小于2(S11<-10dB)。

為實(shí)現(xiàn)上述方向圖要求，可采取陣列的方式或多個(gè)貼片的組合。由于陣列排布十分精密，陣列中貼片數(shù)量較多，實(shí)際制作天線時(shí)，不易操作，且對(duì)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(duì)載體天線進(jìn)行設(shè)計(jì)及仿真。

根據(jù)空腔模型理論，在載體半徑和天線工作波長(zhǎng)的數(shù)量級(jí)相同時(shí)，可以根據(jù)平面矩形微帶天線的設(shè)計(jì)方法優(yōu)化載體矩形微帶天線貼片尺寸和介質(zhì)的選取。本文中載體天線工作波長(zhǎng)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(shè)計(jì)方法對(duì)單元天線進(jìn)行設(shè)計(jì)。

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(jié)匹配的方式進(jìn)行阻抗匹配，載體天線基本結(jié)構(gòu)如圖1所示。

介質(zhì)基板為柔性材料且相對(duì)介電常數(shù)為2.55，基板厚度為1mm，由式(1)可計(jì)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(jié)構(gòu)示意圖

式(1)中fr為諧振頻率，c為光速，εr為相對(duì)介電常數(shù)。

輻射貼片的長(zhǎng)度L

(2)

其中，修正值

(3)

有效介電常數(shù)

(4)

式(4)中，εr為基板相對(duì)介電常數(shù)，h為基板厚度，w為基板寬度。

由式(1)、(2)可計(jì)算得到，載體天線寬度W的最大值和長(zhǎng)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(duì)載體天線的長(zhǎng)寬對(duì)天線進(jìn)行優(yōu)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(jù)實(shí)際結(jié)構(gòu)，在HFSS中建立單元天線的柱面模型，設(shè)置工作頻率為1.575GHz，設(shè)置最大迭代次數(shù)為20，收斂誤差為0.02，選擇快速掃頻的方式，設(shè)置掃頻范圍在1GHz～2GHz間，以0.001GHz步進(jìn)；運(yùn)行仿真后，最終可得天線反射系數(shù)S11的掃頻分析結(jié)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(jié)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(nèi)，諧振點(diǎn)處 S參數(shù)值為-19.5049dB，駐波比小于2，滿(mǎn)足設(shè)計(jì)要求，單元天線結(jié)構(gòu)正確。

圖3 單元天線E、H面增益方向圖

2 柱面陣列天線設(shè)計(jì)

單元天線可實(shí)現(xiàn)在某一方向上的頻率收發(fā)，若要實(shí)現(xiàn)法向、軸向雙定向只需將兩個(gè)單元天線進(jìn)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(wǎng)絡(luò)和貼片、振子以及縫隙等輻射單元組合起來(lái)，通過(guò)饋電網(wǎng)絡(luò)激勵(lì)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(wǎng)絡(luò)要求滿(mǎn)足頻帶寬、結(jié)構(gòu)簡(jiǎn)單、阻抗匹配和低損耗等一系列要求。串聯(lián)饋電和并聯(lián)饋電是最常用的饋電形式。

串聯(lián)饋電使用傳輸線將天線單元直接連接起來(lái)。雖然這種饋電方式對(duì)饋電電路的要求相對(duì)簡(jiǎn)單，且饋線損耗小，饋線長(zhǎng)度也相對(duì)較短，但卻要考慮各個(gè)單元間互相耦合的影響，所以通常要利用迭代法對(duì)饋電電路進(jìn)行設(shè)計(jì)，所以實(shí)際設(shè)計(jì)上較為復(fù)雜。并聯(lián)饋電則是通過(guò)功率分配器來(lái)實(shí)現(xiàn)對(duì)單元天線進(jìn)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(gè)陣列單元從而實(shí)現(xiàn)并聯(lián)饋電。在并聯(lián)饋電中，常用兩路功分器(Splitter)并保持各單元路徑等長(zhǎng)構(gòu)成特定的口徑分布并使。通過(guò)調(diào)節(jié)功分器的分配比和臂長(zhǎng)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(jiàn)，并聯(lián)饋電的方式雖然網(wǎng)絡(luò)較復(fù)雜，但相比于串聯(lián)饋電而言，設(shè)計(jì)卻相對(duì)簡(jiǎn)單，單元天線的調(diào)節(jié)也較為方便；由于本文設(shè)計(jì)的天線陣列陣元數(shù)目較少，并聯(lián)饋電相對(duì)更易實(shí)現(xiàn)，所以本文中擇優(yōu)選擇并聯(lián)饋電網(wǎng)絡(luò)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(shí)現(xiàn)某一方向的定向探測(cè)。當(dāng)將平面貼片天線用于柱面時(shí)(柱體底面周長(zhǎng)大于天線貼片曲邊長(zhǎng)的2倍)可發(fā)現(xiàn)：天線貼片將在柱體法向上空的一定區(qū)域內(nèi)產(chǎn)生輻射場(chǎng)，軸向亦然，此時(shí)單元天線貼片相對(duì)位置的排布方式將直接影響天線最終探測(cè)結(jié)果，而單元貼片天線間的中心距離直接決定天線的相對(duì)位置。

目前對(duì)載體單元天線中心距離的確定方式主要有：一是根據(jù)功分器原理確定；二是依據(jù)天線電磁場(chǎng)分布提出的“單元天線間中心距離應(yīng)滿(mǎn)足四分之一波長(zhǎng)”的原則確定單元天線間距。但如果按以上兩種方法進(jìn)行仿真分析，效果均不能達(dá)到預(yù)期。根據(jù)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(guān)，當(dāng)陣列所集成的機(jī)械外形發(fā)生變化等實(shí)驗(yàn)條件改變時(shí)，陣列互耦影響無(wú)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(shè)計(jì)分析。因此本文對(duì)載體單元天線貼片間的中心距離從結(jié)構(gòu)上重新設(shè)計(jì)。法向8字探測(cè)的實(shí)現(xiàn)需要將兩單元天線在柱體上對(duì)稱(chēng)分布，兩輻射貼片中心距離為所共形柱體底面周長(zhǎng)的一半，采用特性阻抗為50Ω的饋線對(duì)各陣元進(jìn)行等幅同相饋電，并采用1.2mm寬的傳輸線連接兩個(gè)相鄰貼片，如圖4所示。

圖4 天線陣列結(jié)構(gòu)模型圖

依據(jù)實(shí)際工作結(jié)構(gòu)，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(shè)置在1.555～1.595GHz頻率區(qū)間段進(jìn)行掃頻，步進(jìn)為0.001GHz，仿真結(jié)果圖如圖5所示。

圖5 共形天線掃頻結(jié)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(nèi)，同時(shí)諧振點(diǎn)處S參數(shù)為-18.6614dB，駐波比小于2，可用于實(shí)際；輻射方向圖方面，E、H面為雙8型，可用于導(dǎo)彈升降段的信息采集，并滿(mǎn)足法向定向探測(cè)接收，符合設(shè)計(jì)要求，天線結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)合理。

3 結(jié)束語(yǔ)

本文設(shè)計(jì)的微帶陣列載體天線，主體結(jié)構(gòu)非天線陣列，而為并聯(lián)饋電網(wǎng)絡(luò)，大大減小了理論上的參數(shù)計(jì)算、陣元結(jié)構(gòu)的優(yōu)化排布難度，此外降低了加工工藝、實(shí)際操作難度。論文不足之處在于設(shè)計(jì)的共形載體天線法向僅能實(shí)現(xiàn)衛(wèi)星信號(hào)的定向接收，而非全方位接收，有待于后續(xù)的工作研究。