一種寬頻帶共形天線的特性研究

錢(qián)祖平 韓振平 倪為民 劉宗全

（1.解放軍理工大學(xué)通信工程學(xué)院，江蘇 南京 210007；2.東南大學(xué)毫米波國(guó)家重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室，江蘇 南京 210096）

引 言

共形天線以其結(jié)構(gòu)容易與載體共形而節(jié)省空間這一突出的優(yōu)點(diǎn)在軍事和民用上具有廣泛的應(yīng)用空間。對(duì)寬頻帶共形天線的研究具有重要的意義，并已經(jīng)成為天線領(lǐng)域的研究熱點(diǎn)。共形天線的載體常用的有圓柱體［1］、圓錐體［2］和球體［3］等多種形狀，共形天線的特性與平面結(jié)構(gòu)的情況相比會(huì)發(fā)生很大的變化，而且共形載體的尺寸，材料屬性都會(huì)影響天線的工作性能。因此共形載體的選取在寬頻帶天線設(shè)計(jì)中至關(guān)重要，已有學(xué)者研究了載體特性的變化對(duì)于窄帶共形天線性能的影響［4］，但對(duì)于寬帶共形天線的研究較少。

研究證明:螺旋天線［5］、正旋天線［6］以及橢圓形［7-8］，半橢圓形［9］以及矩形［10］單極子天線具有不同程度的寬頻帶特性，可以與球面或柱面共形，以獲得寬頻帶共形天線。在文獻(xiàn)［10］的基礎(chǔ)上，首先設(shè)計(jì)了一個(gè)具有寬頻帶特性的平面單極天線，將其作為輻射單元與柱體共形。通過(guò)改變柱體曲率半徑、長(zhǎng)度和介電常數(shù)等參數(shù)的大小，詳細(xì)分析其參數(shù)變化對(duì)于共形天線性能的影響。實(shí)際加工制作的天線，具有寬頻帶特性，在工作頻段內(nèi)具有較好的輻射特性，增益穩(wěn)定。

1.共面波導(dǎo)饋電分析

平面天線為一矩形單極子天線，結(jié)構(gòu)如圖1所示。介質(zhì)板較薄時(shí)天線易于共形，但介質(zhì)材料厚度較薄，采用微帶饋電時(shí)不易獲得50Ω的輸入阻抗，因此，采用共面波導(dǎo)（CPW）饋電形式。共面波導(dǎo)相對(duì)于微帶線，具有輻射損耗小、色散低、易與其他元器件實(shí)現(xiàn)串并連接，提高電路集成度等優(yōu)點(diǎn)。共面波導(dǎo)內(nèi)導(dǎo)帶終端開(kāi)路，作為饋源對(duì)縫隙進(jìn)行激勵(lì)。天線的縫隙結(jié)構(gòu)等效于一個(gè)匹配網(wǎng)絡(luò)，通過(guò)調(diào)節(jié)導(dǎo)帶的長(zhǎng)度L3，導(dǎo)帶與地板的窄縫隙g，地板與輻射單元之間的縫隙寬度g1，可以達(dá)到良好的阻抗匹配。

共面波導(dǎo)的特性阻抗由介質(zhì)基片的厚度h，相對(duì)介電常數(shù)εr，饋電導(dǎo)帶的寬度w，導(dǎo)帶與金屬地板之間的縫隙間隔g等參數(shù)共同決定。計(jì)算公式如下［11］

式中:εeff為共面波導(dǎo)介質(zhì)的相對(duì)有效介電常數(shù)，表示為

為實(shí)現(xiàn)50Ω阻抗匹配，經(jīng)計(jì)算導(dǎo)帶寬度w為3.2mm.基板選擇的是相對(duì)介電常數(shù)εr為2.55的F4B-2型介質(zhì)板，厚度h為0.2mm，介質(zhì)損耗為0.001.基于設(shè)計(jì)的要求，天線的初始參數(shù)如表1所示，基板尺寸為40mm×40mm.

圖1 平面單極天線結(jié)構(gòu)示意圖

表1 天線的初始參數(shù)值（單位:mm）

2.共形天線性能及其參數(shù)分析

為增加天線的實(shí)用性，選取圓柱作為共形載體，高度H=50mm，半徑R=40mm，如圖2所示。

圖2 柱面共形天線結(jié)構(gòu)示意圖

圖3顯示了平面天線與柱體共形之后的反射系數(shù)變化曲線，由圖可看出:平面天線反射系數(shù)S11≤-10dB的阻抗帶寬覆蓋了2～20GHz，且最高頻率處沒(méi)有出現(xiàn)截止現(xiàn)象。與圓柱體共形之后反射系數(shù)S11的性能變差，饋線上的電流變化幅度增大。主要是由于在圓柱共形情況下，平面天線結(jié)構(gòu)與饋線均發(fā)生彎曲，天線的輸入阻抗發(fā)生了變化，天線與饋線的特性阻抗不再匹配所致。從圖3中可以看出:共形后的天線阻抗帶寬與平面情況相比變窄，為了改善共形天線的阻抗匹配以及帶寬特性，對(duì)圓柱載體的半徑R、介電常數(shù)εr以及高度H進(jìn)行調(diào)節(jié)，研究柱體參數(shù)對(duì)天線特性的影響。

圖3 平面天線及其共形后的S11變化曲線

2.1 柱體半徑R對(duì)天線性能的影響

柱形載體的介電常數(shù)εr=1.03。圖4顯示了柱體半徑R變化時(shí)反射系數(shù)S11的變化曲線，由圖中可以看出:R的變化引起天線各個(gè)諧振點(diǎn)的偏移，造成阻抗匹配情況的變化，阻抗帶寬也發(fā)生改變。R值越小，共形天線的反射系數(shù)曲線與平面越來(lái)越接近。對(duì)于給定的平面天線結(jié)構(gòu)，柱體半徑R值取得越小，天線的阻抗匹配情況越好，共形天線越接近于平面結(jié)構(gòu)，其駐波性能也越接近于平面性能。

圖4 天線S11隨R變化的特性曲線

圖5顯示了天線的XZ面和YZ面輻射方向圖隨R的變化特性，選取工作頻率為10GHz.由圖可知:共形天線具有后向輻射，柱體的半徑R的改變引起天線輻射強(qiáng)度的變化，半徑R值減小時(shí)后向輻射加強(qiáng)，最大增益值變大。增益的變化情況與反射系數(shù)S11的變化情況相吻合，柱體半徑R值越小，天線的反射系數(shù)性能越好，增益也相對(duì)較高。

2.2 柱體εr值對(duì)天線性能的影響

前面分析R的變化對(duì)天線性能的影響，選取的柱體介電常數(shù)εr=1.03.在實(shí)際應(yīng)用中，大多數(shù)的共形載體采用的介電常數(shù)為2.1～3.0，因此，研究柱體不同的εr值對(duì)天線性能的影響，工作頻率為10 GHz.

圖6顯示了不同的εr值對(duì)天線阻抗特性S11的影響。由圖可知，當(dāng)εr變大時(shí)，天線的諧振頻率點(diǎn)增多，下陷程度減小，天線的匹配變差，造成整個(gè)帶寬的減小。結(jié)果表明:載體的介電常數(shù)對(duì)天線的阻抗特性影響較大，設(shè)計(jì)寬帶共形天線時(shí)，應(yīng)選擇合適的共面載體以實(shí)現(xiàn)天線的性能。

圖7顯示了εr值的變化對(duì)于天線輻射特性的影響。由圖可知，介電常數(shù)εr的變化對(duì)方向圖的影響很明顯。當(dāng)εr變大時(shí)，天線的輻射特性顯著加強(qiáng)，輻射增益變大。當(dāng)εr=2.08時(shí)，XZ面的定向性增強(qiáng)，YZ面的全向輻射得到改善。當(dāng)εr=3.0時(shí)，XZ面趨于全向輻射，而YZ面波動(dòng)較大，造成一些角度輻射變差。

2.3 柱體高度H對(duì)天線性能的影響

研究柱體高度H對(duì)天線性能的影響。有關(guān)文獻(xiàn)［4］證明柱體長(zhǎng)短對(duì)窄帶共形天線的輸入阻抗影響較小，柱體越短，方向圖起伏越大。

如圖8所示天線S11隨H的變化特性。由圖可見(jiàn)在2～6GHz低頻段和18～20GHz高頻段，S11的變化較大，H=75mm時(shí).高頻處產(chǎn)生失配現(xiàn)象，對(duì)帶寬產(chǎn)生一定影響。

如圖9所示，天線的輻射特性隨H的改變發(fā)生波動(dòng)，當(dāng)H=50mm時(shí)，天線的輻射增益相對(duì)較大，定向性增強(qiáng)。隨著H的增大，XZ面和YZ面的定向輻射減弱，天線兩側(cè)的輻射加強(qiáng)，Z軸方向輻射強(qiáng)度減弱。

3.實(shí)測(cè)結(jié)果分析

按照仿真結(jié)果，實(shí)際加工制作了一個(gè)柱面共形天線，如圖10所示。柱體為泡沫材料，其介電常數(shù)為1.03，柱體半徑R=20mm，高度H=75mm.測(cè)試工作在微波暗室完成，由矢量網(wǎng)絡(luò)分析儀測(cè)得的反射系數(shù)S11曲線如圖11所示。諧振點(diǎn)的位置位于3.5GHz、11.4GHz和17.5GHz，與仿真結(jié)果相比諧振點(diǎn)發(fā)生一定的偏移，反射系數(shù)S11曲線深度加深，整個(gè)頻段內(nèi)的變化趨勢(shì)和阻抗帶寬與仿真結(jié)果一致。利用實(shí)驗(yàn)室的標(biāo)準(zhǔn)喇叭天線測(cè)試了天線諧振點(diǎn)3.5GHz、11.4GHz處的輻射方向圖，利用比較法計(jì)算出天線的實(shí)際增益大小，描繪出的增益方向圖如圖12所示。由于加工和焊接精度的誤差造成天線損耗的增大，以及周?chē)h(huán)境的影響，實(shí)測(cè)結(jié)果與仿真結(jié)果相比，實(shí)測(cè)的輻射方向圖輻射強(qiáng)度較小，最大增益低于仿真結(jié)果。由于高頻時(shí)的波瓣惡化較大，可用頻段覆蓋2～16GHz.

圖12 實(shí)測(cè)方向圖與仿真結(jié)果對(duì)比

4.結(jié) 論

對(duì)于寬頻帶共形天線，柱體半徑R的變化會(huì)引起天線高頻端諧振點(diǎn)的偏移，造成阻抗匹配情況的改變，但對(duì)總體的帶寬影響不大，選取較小的半徑R，可改善天線的輻射特性。柱體介電常數(shù)對(duì)天線性能影響較大，當(dāng)εr變大時(shí)，天線的諧振頻率點(diǎn)增多，下陷程度減小，天線的匹配變差，造成整個(gè)帶寬的減小，但天線的輻射特性加強(qiáng)，輻射增益變大。柱體高度H較小時(shí)，天線的輻射增益相對(duì)較大，定向性增強(qiáng)。隨著H的增大，XZ面和YZ面的定向輻射減弱，天線兩側(cè)的輻射加強(qiáng)，Z軸方向輻射強(qiáng)度減弱。因此，在設(shè)計(jì)寬頻帶共形天線時(shí)，共形載體的選取對(duì)天線的性能至關(guān)重要，以上結(jié)論可對(duì)載體的選取提供了可靠依據(jù)。

［1］ZHANG Zhijun，GAO Xu，CHEN Wenhua.Study of conformal switchable antenna system on cylindrical surface for isotropic coverage［J］.IEEE Transactions on Antennas and Propagation，2011，59（3）:776-783.

［2］LIU Min，F(xiàn)ENG Zirui，MENG Fanyi，et al.A 35GHz cone conformal microstrip 4×4array［C］／／Asia-Pasific Microwave Conference，2007，1127-1130.

［3］LATEF T A，KHAMAS S K.Bandwidth enhancement of a hemispherical helical antenna using aparasitic wire ［C］／／2010Loughborough Antenna and Propagation Conference.269-272.

［4］?？?，鐘順時(shí).柱面共形蝶形微帶天線的阻抗特性和方向圖研究［J］.電波科學(xué)學(xué)報(bào).2004，19（5）:576-580.NIU Junwei，ZHONG Shunshi.Impedance characteristics and radiation patterns of conformal cylindrical bow-tie microstrip antennas［J］.Chinese Journal of Radio Science，2004，19（5）:576-580.（in Chinese）

［5］ALSAWAHA H W，SAFAAI-JAZI A.Ultra-wide band hemispherical helical antennas［J］.IEEE Transactions on Antennas and Propagation，2010，58（10）:3175-3346.

［6］SONG Lizhong，CONG Guojin，HONG Huanfeng.Simulation and Analysis of a hemispherical conformal sinuous antenna with four arms［C］／／Proceedings of 2010IEEE International Conference on Ultra-Wideband（ICUWB2010）.

［7］YAN X R，ZHONG S S，WANG G Y.Compact printed monopole antenna with 24:1impedance bandwidth［J］.Electronics Letters，2008，44（2）:73-74.

［8］THOMAS K G，SREENIVASAN M.Printed elliptical mono-pole with.shaped ground plane for pattern stability［J］.Electronics Letters，2009，45（9）:445-446.

［9］GOPIKRISHNA M，KRISHNA D D，ANANDAN C K.Design of a compact semi-elliptic monopole ［J］.IEEE Transactions on Antennas and Propagation，2009，57（6）:1834-1837.

［10］韓振平，錢(qián)祖平.X波段全向共形機(jī)載天線的仿真與設(shè)計(jì)［J］.指揮控制與仿真.2011，33（4）:67-71.HAN Zhenping，QIAN Zuping.Simulation and design of X-band conformal antenna on airborne craft with Omni-directional radiation［J］.Command Control ＆Simulation，2011，33（4）:67-71.（in Chinese）

［11］GEVORGIAN S，LINNER L J P，KOLLBERG E L.CAD models for shielded multilayer CPW ［J］.IEEE Trans on Microwave Theory and Tech，1995，43（4）:772-779.