彎曲度對(duì)共形天線及其陣列性能的影響

竇海鵬

(山西大學(xué)商務(wù)學(xué)院 信息學(xué)院， 山西 太原 030031)

彎曲度對(duì)共形天線及其陣列性能的影響

竇海鵬

(山西大學(xué)商務(wù)學(xué)院 信息學(xué)院， 山西 太原 030031)

針對(duì)平面矩形微帶天線及其陣列共形于載體上的實(shí)際需求， 分析了共形彎曲度對(duì)天線性能的影響. 通過(guò)HFSS軟件仿真， 將2.4 GHz頻段天線及由其組成的天線陣列共形于圓柱形載體上， 貼片的彎曲會(huì)影響天線的工作帶寬、 增益和半波功率波束寬度. 仿真結(jié)果表明， 當(dāng)與該天線共形的圓柱載體半徑大于40 mm (天線貼片彎曲度小于50°)、 與天線陣列共形的圓柱載體半徑大于70 mm時(shí)， 可以滿足目前無(wú)線通信系統(tǒng)的工作需求.

共形微帶天線； 陣列天線； 彎曲度； 輻射特性

0 引 言

隨著無(wú)線通信技術(shù)的發(fā)展， 要求微帶天線能夠共形于載體上[1-6]， 實(shí)現(xiàn)設(shè)備結(jié)構(gòu)的一體化， 以滿足可穿戴設(shè)備、 飛行器等對(duì)天線的需要[7-12]. 而載體的彎曲度對(duì)天線及其陣列性能的影響， 已成為現(xiàn)階段研究的熱點(diǎn). 文獻(xiàn)[13]將超寬帶天線共形于飛航導(dǎo)彈上， 在不影響導(dǎo)彈氣動(dòng)特性的同時(shí)， 研究了彈載天線的增益、 電壓駐波比等性能； 文獻(xiàn)[14]分析了共形蝶形天線表面涂覆不同吸波材料對(duì)其輻射性能的影響； 文獻(xiàn)[15]雖然研究了圓柱載體曲率半徑對(duì)共形蝶形微帶天線的阻抗特性和輻射特性的影響， 但并未涉及對(duì)天線陣列性能的影響.

本文首先分析了一種常見(jiàn)的平面矩形微帶天線的性能， 該天線工作在2.4 GHz頻段有良好的輻射特性. 然后將該平面天線及其組成的4單元天線陣列共形于圓柱形載體上， 分析對(duì)比了當(dāng)圓柱半徑變化時(shí)， 天線及其陣列的彎曲度對(duì)其性能的影響.

1 平面微帶貼片天線

本文要研究的平面矩形微帶天線結(jié)構(gòu)如圖 1 所示.

圖 1 平面矩形微帶天線結(jié)構(gòu)Fig.1 Structure of the planar rectangular antenna

該天線采用微帶線饋電， 貼片的長(zhǎng)度為l， 寬度為w. 為了減小天線的尺寸， 饋電用的微帶線嵌入矩形貼片內(nèi)部， 嵌入深度為l1， 微帶線長(zhǎng)為l2， 寬為w1. 選取的介質(zhì)材料厚度為h， 相對(duì)介電常數(shù)為εr. 在實(shí)際應(yīng)用中， 為了使天線的發(fā)射功率損耗降到最低， 一般要求天線的輸入阻抗與天線的饋線有較好的匹配， 因此本文利用電磁仿真軟件HFSS仿真優(yōu)化， 最終確定天線結(jié)構(gòu)參數(shù)如表 1 所示.

表 1 天線結(jié)構(gòu)參數(shù)

圖 2 為參數(shù)l1的變化對(duì)天線反射系數(shù)(S11)的影響. 由圖 2 可知， 隨著l1的增加， 天線的諧振頻率減小， 因此， 可以通過(guò)改變l1來(lái)控制該天線的諧振頻率. 為了使天線工作在無(wú)線局域網(wǎng) (WLAN) 2.45 GHz頻段， 最終確定l1=11.5 mm， 此時(shí)天線的-10 dB帶寬為2.439～2.463 GHz. 天線在2.45 GHz的主極化輻射方向如圖 3 所示， 從圖 3 可以看出，x-z面的半波功率波數(shù)寬度(HPBW)為70°， 而y-z面擁有更寬的HPBW， 為80°.

圖 2 參數(shù)l1變化對(duì)天線S11的影響Fig.2 Simulated S11 of planar antenna for different l1

2 共形彎曲度對(duì)天線性能的影響

為了分析天線彎曲度對(duì)天線性能的影響， 將上文中提到的平面微帶天線共形于半徑變化的圓柱形載體上， 圓柱體半徑為r， 其結(jié)構(gòu)如圖 4 所示.

矩形貼片兩側(cè)邊緣與圓柱中心形成的夾角度數(shù)稱為彎曲度， 由圖 4 可知，r越大， 貼片彎曲度越小. 此外， 貼片尺寸、 介質(zhì)材料厚度及饋電方式都保持不變. 圖 5 為共形彎曲度對(duì)天線的S11的影響， 由圖可知， 隨著半徑的減小， 即彎曲度的增大， 天線的反射特性逐漸變差， 且?guī)捵冋?中心頻率減小. 當(dāng)天線彎曲到很大弧度時(shí)， 如100°(r=20 mm)， 此時(shí)整個(gè)工作頻帶上的S11已經(jīng)大于-10 dB. 這是因?yàn)樘炀€彎曲后， 矩形貼片表面的阻抗反生變化， 造成阻抗失配.

圖 5 共形彎曲度對(duì)天線的S11的影響Fig.5 Simulated S11 of the conformal antenna for different r

圖 6 為r變化時(shí)， 天線在2.45 GHz的主極化方向圖. 在x-z面上， 天線的彎曲度越大， 增益越小， 但是HPBW越寬. 相反， 在y-z面上， 隨著天線彎曲度的增加， 增益逐漸增大.這是因?yàn)樘炀€彎曲后， 其橫向(即x-z面)的輻射功率向四周擴(kuò)散， 該面上的最大增益逐漸減??； 而天線縱向長(zhǎng)度(即y-z面)并沒(méi)有隨著天線彎曲而改變. 相對(duì)的， 貼片彎曲后， 其他部位的輻射疊加到y(tǒng)-z面， 使得能量逐漸集中， 所以在該平面正上方即θ=0° 的增益逐漸增大. 另外， 在仿真時(shí)， 由于貼片與圓柱共形后， 饋電端口偏離了原來(lái)定義的z軸方向， 導(dǎo)致x-z面的輻射主瓣偏離了0°.

天線最大增益隨圓柱載體半徑、 貼片彎曲度的變化情況如表 2 所示. 從表 2 可以看出， 隨著貼片彎曲度的增加， 天線的最大增益逐漸減小. 當(dāng)圓柱半徑為10 mm， 即貼片彎曲度為200°時(shí)， 天線增益達(dá)到最小， 為3.95 dBi. 這是因?yàn)殡S著天線的彎曲， 天線的輻射范圍更廣， 空間的功率分布變寬， 而某一點(diǎn)上集中的功率變小了. 綜上所述， 共形彎曲度對(duì)天線特性有較大的影響， 隨著天線彎曲度的逐漸增大， 天線的工作帶寬變窄， 中心頻率減小， 反射特性變差， 增益減小， 而HPBW變大. 為了使天線在工作頻段內(nèi)實(shí)現(xiàn)S11<-10 dB， 要求與之共形的載體半徑不能小于40 mm(見(jiàn)圖 5)， 貼片的彎曲度不能大于50°.

圖 6 共形彎曲度對(duì)天線主極化方向圖的影響Fig.6 Simulated Co-polarization radiation pattern for different r

表 2 天線彎曲度及最大增益

3 共形彎曲度對(duì)天線陣列性能的影響

首先， 利用上文中提出的矩形微帶天線組成一個(gè)4單元的天線陣列， 結(jié)構(gòu)如圖7 (a)所示， 其中， 天線單元之間間距d為18.6 mm. 采用并聯(lián)的饋電方式， 利用功率分配網(wǎng)絡(luò)連接矩形貼片和饋電端口， 實(shí)現(xiàn)功率平均分配， 確保每個(gè)輻射單元的饋電均等幅同相， 功率分配網(wǎng)絡(luò)的寬度w2為3.4 mm，w3為2 mm. 然后將該4單元天線陣列共形到圓柱形載體上， 圓柱半徑為r1， 其結(jié)構(gòu)如圖7(b), (c)和(d)所示.

圖 7 共形4單元微帶天線陣列Fig.7 Structure of 4 elements conformal antenna array

圖 8 為共形彎曲度對(duì)該4單元天線陣列的S11的影響. 從圖8可以看出， 當(dāng)天線沒(méi)有彎曲時(shí)， 其-10 dB帶寬為2.379～2.418 GHz， 諧振頻率為2.4 GHz， 此時(shí)S11最小， 達(dá)到-36 dB. 隨著r1的減小， 即彎曲度的增加， 天線的反射特性變差， 當(dāng)r1=35 mm時(shí)， 該天線陣列的諧振頻率出現(xiàn)在2.34 GHz 和2.60 GHz處， 形成了雙頻帶， 且S11均大于-10 dB. 這是因?yàn)閳A柱半徑很小時(shí)， 4個(gè)貼片單元共形后分布在圓柱四周， 相對(duì)的貼片之間形成新的電容， 改變了貼片原有的電流分布， 引起阻抗失配.

圖 8 共形彎曲度對(duì)天線陣列的S11的影響Fig.8 Simulated S11 of conformal antenna array for different r1

圖 9 為共形彎曲度對(duì)天線陣列在2.4 GHz的主極化方向圖的影響. 當(dāng)天線陣列沒(méi)有共形時(shí)， 其x-z面和y-z面的主瓣最大輻射方向都在0°， 增益達(dá)到最大， 但是HPBW最窄， 其x-z面的HPBW為28°. 隨著圓柱半徑r1的減小， 天線陣列的HPBW變寬， 最大增益減小. 當(dāng)r1=35 mm時(shí)， 由于4個(gè)貼片單元幾乎均勻分布在圓柱四周， 其x-z面的輻射特性呈現(xiàn)為全向性， 而y-z面的輻射滿足“8”字形.

表 3 為圓柱載體半徑變化時(shí)天線陣列的最大增益. 可以看出， 沒(méi)有彎曲的平面天線陣列增益達(dá)到11.7 dBi， 而嚴(yán)重的彎曲會(huì)導(dǎo)致增益的急劇下降. 當(dāng)圓柱半徑為35 mm時(shí)， 天線增益降至2.9 dBi. 綜上所述， 為了使天線在工作頻段內(nèi)實(shí)現(xiàn)S11<-10 dB(見(jiàn)圖 8)， 同時(shí)有較高的增益(見(jiàn)表3)， 應(yīng)保證與之共形的圓柱載體半徑大于70 mm. 相反， 若想使天線陣列具有全向的輻射特性， 可以將天線陣列單元均勻的分布在圓柱載體表面， 但同時(shí)需要重新調(diào)整天線參數(shù)來(lái)獲取更高的增益.

表 3 天線陣列最大增益

圖 9 共形彎曲度對(duì)天線陣列主極化方向圖的影響Fig.9 Simulated Co-polarization radiation pattern for different r1

4 結(jié) 論

本文首先仿真了平面上的矩形貼片微帶天線， 該天線在2.439～2.463 GHz頻帶范圍內(nèi)S11<-10 dB， 滿足目前無(wú)線通信系統(tǒng)的工作需求. 然后將該平面天線及其組成的4單元天線陣列共形到圓柱形載體上， 分析對(duì)比了天線及其陣列的彎曲度對(duì)其性能的影響. 仿真結(jié)果表明， 隨著天線彎曲度逐漸增大， 天線的工作帶寬變窄、 中心頻率減小、 增益減小， 而HPBW變大. 共形圓柱載體半徑大于40 mm(貼片弈曲度小于50°)時(shí)， 微帶天線可以正常使用. 而對(duì)于天線陣列， 則要求共形圓柱載體半徑大于70 mm. 所以為了使天線在共形時(shí)能正常工作， 一方面需要考慮貼片彎曲不能過(guò)大； 另一方面， 如果較大程度的彎曲不可避免， 應(yīng)重新調(diào)整天線的參數(shù)， 使其符合設(shè)計(jì)要求.

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Influence of Curvature on the Properties of Conformal Antenna and Antenna Array

DOU Hai-peng

(Information Faculty, Business College of Shanxi University, Taiyuan 030031, China)

The influence of the conformal curvature on properties of the flat rectangular microstrip antenna and antenna array in 2.4 GHz range was presented in this paper. Using the electromagnetic simulation software HFSS, when the antenna or antenna array was attached to the surface of a cylindrical carrier, its working bandwidth, gain and half wave power beam width will be influenced by the curvature of the antenna paster. Simulation results show that the conformal antenna with cylindrical carrier’s radius more than 40 mm (the curvature less than 50°), or conformal antenna array with radius more than 70 mm, cansatisfy the requirement of wireless communication system.

conformal microstrip antenna; antenna array; curvature; radiation characteristic

2016-09-17

山西省科技廳基礎(chǔ)研究資助項(xiàng)目(2014011018-1)； 山西大學(xué)商務(wù)學(xué)院資助項(xiàng)目(SYJ201503)

竇海鵬(1981-)， 男， 講師， 碩士， 主要從事信號(hào)處理的研究.

1673-3193(2017)02-0186-05

TN821

A

10.3969/j.issn.1673-3193.2017.02.016