一種對(duì)跖圓形的寬帶共形陣列天線

竇海鵬， 樊東燕

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

0　引　言

共形天線能夠共形于非平面的載體表面而不影響載體的空氣動(dòng)力學(xué)特性等工作性能， 從而被廣泛應(yīng)用于導(dǎo)彈、 無人機(jī)、 雷達(dá)和通信等領(lǐng)域[1-6]. 微帶天線及其陣列以其低剖面、 重量輕、 成本低、 易彎曲等優(yōu)點(diǎn)， 成為共形天線的研究熱點(diǎn)之一[7-11]. 文獻(xiàn)[12]提出了一種應(yīng)用于無人機(jī)上的共形天線， 雖然3 dB波束寬度可以達(dá)到197°， 但-10 dB帶寬僅為28 MHz (807～835 MHz). 文獻(xiàn)[13]對(duì)共形在圓柱體上的微帶天線進(jìn)行了理論分析， 給出了共形微帶天線的數(shù)學(xué)計(jì)算公式， 但并未討論共形天線陣列對(duì)天線帶寬和增益的影響. 文獻(xiàn)[14]提出了一種安裝于導(dǎo)電柱上的共形端射天線陣列， 其-10 dB帶寬可以覆蓋6～18 GHz范圍， 但不能工作于2.4 GHz頻段. 隨著通信技術(shù)的發(fā)展， 對(duì)工作于2.4 GHz頻段的寬頻帶共形天線的研究已經(jīng)引起了人們的重視[15]， 但相關(guān)成果較少.

本文提出一種工作于2.4 GHz頻段的寬頻帶共形天線陣列. 該天線陣列采用對(duì)跖圓形的輻射貼片作為天線單元， 結(jié)構(gòu)簡單， 易于復(fù)雜載體共形. 首先對(duì)該天線單元的工作特性進(jìn)行分析， 然后利用該結(jié)構(gòu)分別組成串聯(lián)4×1單元和串并聯(lián)結(jié)合4×4單元的陣列天線， 并將兩種陣列天線分別按照?qǐng)A柱的方式共形， 對(duì)共形后的陣列天線的結(jié)構(gòu)參數(shù)對(duì)天線性能的影響進(jìn)行仿真分析， 實(shí)現(xiàn)寬帶的共形微帶天線陣列.

1　平面對(duì)跖圓形天線單元

圖 1 給出了本文提出的對(duì)跖圓形天線單元結(jié)構(gòu)， 選用柔韌性強(qiáng)、 易彎折的介質(zhì)基板Rogers RO4533(h=0.75 mm,εr=3.3). 該天線采用對(duì)跖的圓形貼片作為輻射單元， 即兩個(gè)圓形貼片分別置于介質(zhì)頂端和底層， 且關(guān)于中心對(duì)稱， 半徑為r. 采用長為l1的微帶線饋電， 饋線與圓形貼片間用一條長為l2的微帶線相連， 天線單元的尺寸為w×l. 利用電磁仿真軟件HFSS將上述天線單元的參數(shù)優(yōu)化， 最終的結(jié)構(gòu)參數(shù)如表 1 所示.

圖 1　對(duì)跖圓形天線結(jié)構(gòu)Fig.1　Structure of antipodal circular antenna

表 1　天線結(jié)構(gòu)參數(shù)Tab.1　The parameters of antipodal circular antenna

圖 2 為半徑r變化對(duì)天線的反射系數(shù)(S11)的影響. 從圖 2 中可以看出，r的變化可以影響天線的諧振頻率， 隨著r的減小， 天線的諧振頻率增加. 當(dāng)r=5.5 mm時(shí)， 天線可以工作在無線局域網(wǎng) (WLAN) 2.45 GHz頻段， 此時(shí)天線的-10 dB帶寬為2.198～2.535 GHz. 天線在2.45 GHz的歸一化的主極化輻射方向圖如圖 3 所示， 在y-z面具有良好的全向性， 而在x-z面呈現(xiàn)穩(wěn)定的“8”字形. 另外， 該天線單元沿z軸方向(即0°方向)上有最大增益， 為2.4 dBi.

圖 2　參數(shù)r變化對(duì)天線S11的影響Fig.2　Simulated S11 for different r

圖 3　對(duì)跖圓形天線的主極化輻射方向圖Fig.3　Simulated co-polarization radiation patterns

2　串聯(lián)4單元橫向共形天線陣列

2.1　串聯(lián)4×1單元平面和共形天線陣列結(jié)構(gòu)

將上述對(duì)跖圓形貼片結(jié)構(gòu)串聯(lián)組成4單元的平面天線陣列， 其結(jié)構(gòu)如圖 4(a) 所示. 對(duì)跖圓形貼片單元尺寸如表 1 所示， 相鄰單元的圓形貼片之間間距d1為50 mm， 約為該介質(zhì)上的微帶線工作在2.4 GHz時(shí)的波長的一半. 介質(zhì)基板依然采用Rogers RO4533 (h=0.75 mm,εr=3.3)， 長ls和寬ws分別為100 mm和255 mm.

圖4(b)所示為將以上平面天線陣列以圓柱方式橫向共形的天線陣列結(jié)構(gòu). 圓柱半徑r1為35 mm，對(duì)跖的圓形貼片分別置于圓柱的外側(cè)和內(nèi)側(cè)，且4個(gè)天線單元等間隔均勻分布于圓柱的四周.

圖 4　串聯(lián)4單元天線陣列Fig.4　Four elements series-fed antenna array structure

2.2　天線性能分析

利用電磁仿真軟件HFSS對(duì)上述天線陣列進(jìn)行了仿真. 圖 5 為平面和共形成圓柱后的天線陣列的S11的仿真結(jié)果. 平面天線陣列在1.894～2.907 GHz 的頻帶范圍內(nèi)有3個(gè)諧振頻率點(diǎn) (1.93, 2.393, 2.817 GHz). 但是由于第一、 二諧振點(diǎn)間的頻段 ( 2.01～2.02 GHz ) 的S11已經(jīng)大于-10 dB， 從而形成了雙頻帶. 當(dāng)陣列天線共形后， 諧振頻率減少為2個(gè)， 但是工作帶寬得到展寬， 為 1.812～2.901 GHz (相對(duì)工作帶寬46.2%)， 反射特性優(yōu)于平面結(jié)構(gòu)的陣列天線. 這是因?yàn)楣残魏髨A柱四周的天線陣列相互之間形成新的耦合電容， 另外貼片彎曲改變了其阻抗， 使得天線在整個(gè)工作頻段上都可以實(shí)現(xiàn)阻抗匹配. 圖 6 為平面和共形陣列天線的阻抗特性的仿真結(jié)果， 可以看出平面陣列天線輸入阻抗的實(shí)部和虛部在2 GHz附近都有明顯的起伏， 明顯偏離50 Ω和0 Ω的范圍， 處于失配狀態(tài). 天線共形后， 其輸入阻抗的實(shí)部曲線位于50 Ω阻值附近. 雖然大于2.5 GHz后， 其值出現(xiàn)上下起伏， 但浮動(dòng)范圍較小， 不超過25 Ω. 另外， 隨著頻率的增加， 共形天線輸入阻抗的虛部也逐漸趨近于0 Ω， 可以認(rèn)為在1.812～2.901 GHz 的頻段上實(shí)現(xiàn)了阻抗匹配.

圖 5　串聯(lián)4單元天線陣列的S11Fig.5　Simulated S11 of four elements series-fed antenna arrays

圖 6　串聯(lián)4單元天線陣列的阻抗特性Fig.6　Simulated impedance characteristics of four elements series-fed antenna arrays

圖 7為圓形貼片半徑r變化對(duì)共形陣列S11的影響， 隨著r的增加， 天線的諧振頻率點(diǎn)由1個(gè)增至為3個(gè)， 且該參數(shù)主要影響天線的低頻段， 當(dāng)r=5 mm時(shí)， 天線-10 dB帶寬最窄， 僅為2.4～2.7 GHz； 當(dāng)r=5.5 mm時(shí)， 天線的帶寬達(dá)到最寬. 可見，r對(duì)天線共形后的反射特性的影響較為明顯， 是一個(gè)敏感的參數(shù).

圖 7　參數(shù)r變化對(duì)共形陣列S11的影響Fig.7　Simulated S11 of conformal array for different r

圖 8 給出了連接圓形貼片的微帶天線的寬度w2變化對(duì)共形陣列S11的影響. 對(duì)于共形結(jié)構(gòu)， 參數(shù)的細(xì)微改變都可以影響天線整體的阻抗分布， 而導(dǎo)致失配， 所以無論w2減小或是增加都使得天線的工作帶寬變窄. 當(dāng)w2=2.5 mm時(shí)， 天線反射性能達(dá)到最優(yōu).

圖 8　參數(shù)w2變化對(duì)共形陣列S11的影響Fig.8　Simulated S11 of conformal array for different w2

2.3　結(jié)果分析

綜上所述， 對(duì)跖圓形貼片結(jié)構(gòu)串聯(lián)組成4×1單元的天線陣列可以有效地展寬天線的工作頻帶， 共形后的天線陣列可以進(jìn)一步改善天線的阻抗特性， 通過優(yōu)化參數(shù)r和w2， 4×1單元共形天線陣列的-10 dB帶寬可以達(dá)到1.812～2.901 GHz (相對(duì)工作帶寬46.2%).

3　串并聯(lián)4×4單元縱向共形陣列天線

3.1　串并聯(lián)4×4單元平面和共形天線陣列結(jié)構(gòu)

本節(jié)將采用串并結(jié)合的方式實(shí)現(xiàn)一個(gè)4×4單元的縱向共形天線陣列， 并分析該陣列結(jié)構(gòu)的工作特性. 首先， 采用并聯(lián)的饋電方式， 利用功率分配網(wǎng)絡(luò)連接上文中提出的串聯(lián)天線陣列和饋電端口， 實(shí)現(xiàn)串并結(jié)合的4×4單元陣列天線， 平面結(jié)構(gòu)如圖 9(a) 所示. 功率分配網(wǎng)絡(luò)可以實(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， 其尺寸為：w3=2.8 mm，l3=10 mm，w4=2 mm，l4=52.6 mm，w5=3.4 mm，l5=10 mm，l6=21.6 mm. 然后將該4×4單元陣列天線按照?qǐng)A柱方式縱向共形， 即串聯(lián)的子陣列單元與圓柱軸線平行， 子陣之間距離分別為：d2=52 mm，d3=69.2 mm. 4個(gè)串聯(lián)的子陣列均勻地分布于圓柱的四周， 圓柱半徑r2為40 mm， 如圖 9(b) 所示.

圖 9　串并結(jié)合4×4單元天線陣列Fig.9　Series parallel 4×4 elements antenna array structure

3.2　天線性能分析

圖 10 為仿真的串并聯(lián)4×4單元平面和共形陣列的S11. 從圖中可以看出， 平面陣列的-10 dB帶寬為2.188～2.803 GHz， 相對(duì)工作帶寬為24.6%. 當(dāng)陣列共形后， 出現(xiàn)了雙頻帶， 帶寬分別為2.316～2.367 GHz和2.588～2.858 GHz. 這是因?yàn)樵诜抡孢^程中， 不能保證圓柱內(nèi)側(cè)與外側(cè)饋線在位置上完全重合， 有個(gè)別的子陣列出現(xiàn)角度偏移， 從而形成了雙頻帶. 圖 11 為圓形貼片半徑r變化對(duì)該共形陣列S11的影響， 可以看出r的變化對(duì)兩個(gè)頻帶都有影響. 隨著r的減小， 第一個(gè)頻帶的反射特性變差， 甚至當(dāng)r=5 mm時(shí)， 其S11已經(jīng)大于-10 dB. 但對(duì)于第二個(gè)頻帶，r的減小卻可以展寬其帶寬， 當(dāng)r=5mm時(shí)， 帶寬為2.57～2.861 GHz.

圖 12 為平面和共形陣列在2.8 GHz的歸一化輻射方向圖. 在x-z面， 平面陣列表現(xiàn)為定向輻射， 主瓣寬度約為20°， 而共形陣列則表現(xiàn)為全向輻射； 在y-z面， 平面和共形陣列具有相同的輻射模式， 最大的輻射方向在210°和330°附近， 主瓣寬度約為30°. 另外， 由于共形后天線單元分布于圓柱的四周， 其輻射也向四周分散， 所以共形陣列天線在x-z面和y-z面的輻射增益普遍小于平面陣列， 但是其x-y面的輻射卻有所增加. 串并聯(lián)4×4單元平面陣列的最大增益為13.3 dBi， 而共形陣列的最大增益則降至7.2 dBi.

圖 10　串并聯(lián)4×4單元天線陣列的S11Fig.10　Simulated S11 of series parallel antenna arrays

圖 11　參數(shù)r變化對(duì)4×4單元共形陣列S11的影響Fig.11　Simulated S11 of conformal array for different r

圖 12　串并聯(lián)4×4單元天線陣列的輻射方向圖Fig.12　Simulated radiation patterns of series parallel antenna arrays

3.3　結(jié)果分析

綜上所述， 對(duì)跖圓形貼片結(jié)構(gòu)串并聯(lián)4×4單元共形天線陣列可以實(shí)現(xiàn)雙頻帶工作模式(2.316～2.367 GHz和 2.588～2.858 GHz)， 且在x-z面可以實(shí)現(xiàn)全向輻射， 最大增益為7.2 dBi.

另外， 表 2 總結(jié)比較了本文提出的平面和共形陣列天線的性能. 可以看出， 平面陣列天線具有較高的增益， 但是為定向輻射； 而共形后的天線可以實(shí)現(xiàn)全向輻射. 另外， 串聯(lián)4×1單元橫向共形陣列可以實(shí)現(xiàn)較寬的工作帶寬. 而串并聯(lián) 4×4 單元縱向共形陣列， 由于子陣列間的匹配以及仿真誤差等因素， 帶寬較窄， 但相對(duì)于串聯(lián)聯(lián) 4×1單元橫向共形陣列可以獲得更高的增益.

表 2　平面和共形陣列天線性能的比較Tab.2　Comparison of performance between planar with conformal antenna array

4　結(jié)　論

本文提出的寬帶對(duì)跖圓形共形陣列天線結(jié)構(gòu)簡單， 性能良好， 可以通過改變圓形貼片的半徑來控制天線的諧振頻率. 當(dāng)天線采用串聯(lián)的饋電方式組成4×1單元陣列并以圓柱的方式橫向共形時(shí)， 其工作帶寬為1.812～2.901 GHz (相對(duì)工作帶寬46.2%)， 比平面陣列的帶寬展寬了14.8%. 而當(dāng)天線繼續(xù)以串并結(jié)合的饋電方式組成4×4單元陣列， 并以圓柱的方式縱向共形時(shí)， 雖然帶寬變窄， 但其設(shè)計(jì)便于減小天線尺寸， 提高天線增益， 同樣具有一定的實(shí)用價(jià)值. 通過調(diào)整該陣列天線的尺寸， 依然可以使其工作在 2.4 GHz 無線局域網(wǎng) (WLAN)頻段， 完全滿足復(fù)雜的無線通信設(shè)備的使用需求.