一種新型共形微帶準(zhǔn)八木天線的設(shè)計(jì)

錢祖平 關(guān)東方 張穎松 王開華

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

引 言

八木天線自問世以來就因其方向性強(qiáng)、增益高、結(jié)構(gòu)簡(jiǎn)單而備受青睞.傳統(tǒng)的八木天線通常體積龐大，這限制了其在移動(dòng)通信和其他空間受限環(huán)境中的應(yīng)用.隨著現(xiàn)代通信技術(shù)的發(fā)展，促進(jìn)了對(duì)寬帶高增益小型化天線的研究，微帶準(zhǔn)八木天線的設(shè)計(jì)和應(yīng)用受到了廣泛的重視.把八木天線集成在單層介質(zhì)板上，不僅具有諧振型天線的緊湊簡(jiǎn)潔，而且具有行波輻射器的寬帶特性.

實(shí)際應(yīng)用中，考慮到空氣動(dòng)力學(xué)以及需要減少天線雷達(dá)散射截面等方面的要求，常常需要天線與某些形狀的載體共形，共形天線在軍事和民用上具有廣泛的應(yīng)用空間.對(duì)于火箭和導(dǎo)彈等高速飛行器，傳統(tǒng)的喇叭天線、拋物面天線等不利于縮小系統(tǒng)體積， 微帶天線由于其具有剖面低、體積小、重量輕、易于與載體共形等特點(diǎn)，被廣泛應(yīng)用于共形天線中.

本文設(shè)計(jì)了一款新型的平面微帶準(zhǔn)八木天線，并將其與圓柱面共形.利用電磁場(chǎng)仿真軟件(High Frequency Structure Simulator,HFSS)對(duì)天線單元進(jìn)行了仿真，研究了引向器的數(shù)量和尺寸、輻射偶極子的形狀等結(jié)構(gòu)參數(shù)對(duì)天線性能的影響，通過優(yōu)化設(shè)計(jì)，得到了符合應(yīng)用要求、性能良好的設(shè)計(jì)結(jié)果.最后根據(jù)仿真參數(shù)將天線加工成實(shí)物，測(cè)試結(jié)果與仿真結(jié)果吻合.

1 天線設(shè)計(jì)

1.1 天線結(jié)構(gòu)

平面微帶準(zhǔn)八木天線的結(jié)構(gòu)如圖1所示.本天線采用單面微帶結(jié)構(gòu)，與普通八木天線的結(jié)構(gòu)基本相同，天線由輻射振子、反射器、引向器組成.不同的是，用天線接地面做反射單元，通過實(shí)驗(yàn)證明接地面起到了良好的反射作用. 文獻(xiàn)[2]中微帶八木天線使用微帶線饋電，需要一個(gè)微帶線到共面帶線的轉(zhuǎn)換，結(jié)構(gòu)復(fù)雜.本文采用共面波導(dǎo)(Coplanar WaveguideCPW)直接饋電，不但能簡(jiǎn)化饋電網(wǎng)絡(luò)，減小天線尺寸，還能增加天線阻抗帶寬.

圖1 平面天線結(jié)構(gòu)示意圖

根據(jù)八木天線的設(shè)計(jì)原理，天線振子的長(zhǎng)度應(yīng)該在0.45～0.48λeff，引向器的長(zhǎng)度應(yīng)該在0.4～0.45λeff，引向器與振子之間的距離應(yīng)該在 0.1～0.3λeff，引向器之間的距離應(yīng)該在0.15～0.4λeff，λeff為工作波長(zhǎng).天線的諧振頻率主要由天線振子的長(zhǎng)度決定，本文所設(shè)計(jì)天線的諧振頻率設(shè)定在900 MHz左右.

天線選用厚度0.2 mm相對(duì)介電常數(shù)εr1=2.55的介質(zhì)板，這種薄介質(zhì)板易于彎曲并與柱面共形，共形后的結(jié)構(gòu)如圖2所示.為了便于實(shí)際加工測(cè)試，并且較好地模擬飛行器，柱體選用膠木材料，其相對(duì)介電常數(shù)εr2=8，柱體半徑R=87 mm，高度H=200 mm.

圖2 柱面共形結(jié)構(gòu)示意圖

由于微帶準(zhǔn)八木天線結(jié)構(gòu)較為復(fù)雜，影響天線性能的參數(shù)很多，逐一優(yōu)化起來會(huì)顧此失彼.經(jīng)過仿真，發(fā)現(xiàn)天線阻抗匹配、方向圖、增益等性能主要由輻射器和反射器的結(jié)構(gòu)決定，所以本文主要通過優(yōu)化設(shè)計(jì)輻射器和反射器的結(jié)構(gòu)來達(dá)到最佳性能.

1.2 參數(shù)分析

偶極子作為輻射器對(duì)天線性能影響很大，為了增加天線的帶寬，采用蝶形偶極子作為輻射器.錐形天線結(jié)構(gòu)的一個(gè)重要參數(shù)就是錐形的頂角，作為錐形天線的變形，可改變蝶形開口的張角來調(diào)節(jié)天線性能.通過仿真發(fā)現(xiàn)，調(diào)節(jié)蝶形偶極子的寬度W7，天線的阻抗特性S11發(fā)生明顯變化，如圖3所示.隨著蝶形的寬度W7增大，天線帶寬先增大后減小，經(jīng)過優(yōu)化發(fā)現(xiàn)當(dāng)W7=18 mm時(shí)，天線阻抗匹配情況最為理想.

引向器可以起到引向作用，提高天線增益，但是引向器之間的耦合及引向器與輻射器的耦合會(huì)對(duì)天線匹配網(wǎng)絡(luò)產(chǎn)生影響，使S參數(shù)惡化.引向器的長(zhǎng)度和位置是影響天線性能的最主要因素.

圖3 回波損耗隨W7變化的曲線

由文獻(xiàn)[8]知，引向器之間的距離主要影響天線增益，對(duì)匹配幾乎沒有影響.而引向器的長(zhǎng)度對(duì)天線匹配和增益均有較明顯的影響.本文采用三根不等長(zhǎng)引向器，每根引向器被分為三段，如圖1所示，通過調(diào)節(jié)中間縫隙s的大小來優(yōu)化天線性能.

如圖4所示，參數(shù)s的變化對(duì)天線的阻抗特性S11有明顯影響.當(dāng)沒有縫隙時(shí)，S11幾乎在-10 dB以上，開縫后阻抗匹配情況明顯好轉(zhuǎn).經(jīng)過優(yōu)化發(fā)現(xiàn)s=2 mm時(shí)，匹配情況最好，在775～995 MHz頻帶內(nèi)S11≤-10 dB，最低點(diǎn)達(dá)到-23 dB.

圖4 回波損耗隨s變化的曲線

圖5所示為天線增益隨s的變化曲線.從圖5可以看出不開縫時(shí)，引向器(正y軸)方向的增益隨頻率增加而降低，甚至在頻率大于850 MHz以后，負(fù)y向增益大于正y向增益，這說明引向器并沒有起作用.開縫后方向明顯好轉(zhuǎn)，在整個(gè)頻帶范圍內(nèi)，引向器方向增益始終穩(wěn)定在4 dB左右，而反向增益最小達(dá)到-22 dB，前后比約為26 dB.

圖5 天線增益隨s變化的曲線

基于以上分析，經(jīng)過綜合考慮和仿真優(yōu)化，最終確定天線各個(gè)參數(shù)，如表1所示.

表1 各參數(shù)尺寸(mm)

2 仿真與測(cè)量結(jié)果分析

根據(jù)仿真結(jié)果，實(shí)際加工制作了天線實(shí)物，如圖6所示.天線在微波暗室完成測(cè)試，由矢量網(wǎng)絡(luò)分析儀測(cè)得的反射系數(shù)S11曲線與仿真結(jié)果比較，如圖7所示.實(shí)測(cè)諧振點(diǎn)位于888 MHz，天線在790～1 080 MHz頻帶內(nèi)，回波損耗S11≤-10 dB，相對(duì)帶寬約為30%.實(shí)測(cè)結(jié)果與仿真結(jié)果相比較，諧振點(diǎn)偏小，反射系數(shù)曲線深度變淺，但是S11≤-10 dB的帶寬增加約90 MHz.在整個(gè)頻帶范圍內(nèi)，S11曲線的變化趨勢(shì)及阻抗帶寬與仿真結(jié)果一致.

圖6 天線實(shí)物

圖7 實(shí)測(cè)回波損耗曲線與仿真結(jié)果比較

實(shí)測(cè)天線諧振點(diǎn)888 MHz處的輻射方向圖與仿真歸一化方向圖比較，如圖8所示.由E面(xoy面)和H面(yoz面)方向圖可以看出，天線輻射最大方向?yàn)橐蚱?正y軸)方向.天線的實(shí)測(cè)E面3 dB波瓣寬度約為120度， H面3 dB波瓣寬度約為106度.兩個(gè)面的3 dB波束寬度均在100度以上，實(shí)現(xiàn)了天線寬波束通信的性能.另外，通過與標(biāo)準(zhǔn)喇叭天線比較，測(cè)出天線諧振點(diǎn)處的最大增益為3.8 dB.考慮到天線設(shè)計(jì)在較低頻率以及實(shí)現(xiàn)寬波束的功能，所以天線增益不高.經(jīng)過計(jì)算，天線效率約為75%，與微帶天線的效率基本一致.

(a) E面方向圖

3 結(jié) 論

本文設(shè)計(jì)了一種新型的基于微帶準(zhǔn)八木天線結(jié)構(gòu)的柱面共形天線.該天線采用CPW饋電，不需要復(fù)雜的巴倫結(jié)構(gòu)轉(zhuǎn)換.通過仿真分析和優(yōu)化，采用蝶形偶極子作為輻射源，增加天線的帶寬，采用三根分段式的金屬條作為引向器，實(shí)現(xiàn)更好的阻抗匹配和提高方向性.最終設(shè)計(jì)了一款頻率為790～1 080 MHz，相對(duì)阻抗帶寬為30%，寬波束輻射，最大增益為3.8 dB的柱面共形天線.該天線性能良好，可應(yīng)用于火箭、導(dǎo)彈、飛機(jī)等飛行器上的通信.

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