電小尺寸錐臺(tái)上雙饋圓極化共形微帶天線陣設(shè)計(jì)

吳峻巖，于家傲，姜永金，陶 琴

（1.空軍預(yù)警學(xué)院，湖北武漢 430019；2.中國(guó)人民解放軍94639 部隊(duì)，江蘇南京 211599）

0 引 言

基于柔性薄介質(zhì)基底的共形微帶天線能夠保持載體的氣動(dòng)性能而不破壞載體的機(jī)械結(jié)構(gòu)，并能節(jié)約載體的內(nèi)部空間，可制作成通信天線、導(dǎo)航天線安裝到制導(dǎo)導(dǎo)彈、艦船、飛機(jī)等作戰(zhàn)平臺(tái)上。共形微帶天線的上述優(yōu)點(diǎn)使其得到了廣泛的應(yīng)用，目前已成為天線領(lǐng)域中研究的熱點(diǎn)之一。文獻(xiàn)[1-2]分析了影響天線全向性的因素，設(shè)計(jì)并實(shí)現(xiàn)了水平全向共形微帶天線陣列。文獻(xiàn)[3]研究了微帶天線帶寬窄的問(wèn)題，提出一種共形微帶天線寬帶化技術(shù)。文獻(xiàn)[4-5]研究了介質(zhì)載體上的共形天線，提出了分析計(jì)算這類(lèi)天線的方法。文獻(xiàn)[6-8]將電磁帶隙結(jié)構(gòu)引入共形微帶天線的設(shè)計(jì)中，抑制了表面波、減小了表面曲率對(duì)天線的影響，提高了天線的輻射性能。文獻(xiàn)[9-11]對(duì)共形微帶天線陣列方向圖進(jìn)行了綜合研究，提出了低互耦、高精度的快速算法。

共形微帶天線陣列的研究多采用平面天線直接共形到大曲率半徑載體上的方式。當(dāng)載體曲率半徑大于一個(gè)波長(zhǎng)時(shí)，可以忽略曲率變化對(duì)微帶天線的影響。但當(dāng)載體曲率半徑較小時(shí)，平面天線模型已經(jīng)不再適用，貼片彎曲會(huì)對(duì)天線工作帶寬、增益和半波功率波束寬度，特別是對(duì)圓極化性能帶來(lái)較大影響，降低天線接收信號(hào)的能力[12-13]。

衛(wèi)星導(dǎo)航信號(hào)多為工作在L 波段的圓極化信號(hào)，當(dāng)錐臺(tái)尺寸相對(duì)導(dǎo)航信號(hào)為電小尺寸時(shí)，平面結(jié)構(gòu)導(dǎo)航天線往往無(wú)法在錐臺(tái)表面直接安裝使用。若將天線彎曲共形于錐臺(tái)表面，則天線性能受載體的表面材質(zhì)和形狀影響不可忽略，尤其曲率半徑變化對(duì)天線圓極化效果影響更為明顯，這將對(duì)導(dǎo)航信號(hào)的接收帶來(lái)不利影響。

本文選取微帶貼片天線在曲面共形的方式，在平面雙饋圓極化微帶天線的基礎(chǔ)上，設(shè)計(jì)實(shí)現(xiàn)電小尺寸錐臺(tái)上的共形全向圓極化導(dǎo)航天線陣，并通過(guò)對(duì)天線陣單元尺寸調(diào)整進(jìn)行研究，對(duì)圓極化增益進(jìn)行改善。最后，制作出天線實(shí)物并進(jìn)行測(cè)量驗(yàn)證。測(cè)量結(jié)果表明共形天線經(jīng)過(guò)調(diào)整后，在GPS L1 頻點(diǎn)（1.575 GHz）和北斗B1頻點(diǎn)（1.562 GHz）上具有良好的圓極化輻射性能。

1 微帶天線設(shè)計(jì)

1.1 天線單元設(shè)計(jì)

雙饋圓極化微帶天線單元平面結(jié)構(gòu)如圖1 所示。天線工作于GPS L1 頻點(diǎn)，采用矩形微帶貼片結(jié)構(gòu)。微帶貼片的寬度為W，長(zhǎng)度為L(zhǎng)，貼片印刷于相對(duì)介電常數(shù)為εr=2.65 的柔性介質(zhì)基底，其厚度為0.6 mm。天線單元采用雙邊饋的方式進(jìn)行饋電，貼片邊緣與饋電線相連形成正交饋電激勵(lì)圓極化輻射。正交信號(hào)由Wilkinson功分移相器來(lái)產(chǎn)生。Wilkinson 功分移相器中的a1，a2段為功分器，保證兩路信號(hào)的等幅性；a3段為移相器，實(shí)現(xiàn)90°移相功能，保證兩路信號(hào)的正交性。a1，a2，a3段的阻抗分別為相應(yīng)的線寬分別為w1=0.53 mm，w2=0.2 mm，w3=0.53 mm。

圖1 微帶天線單元平面結(jié)構(gòu)Fig.1 Plane structure of microstrip antenna unit

1.2 天線陣列設(shè)計(jì)

錐臺(tái)共形天線陣結(jié)構(gòu)如圖2 所示。天線陣列由三個(gè)天線單元組成，天線單元按相等距離均勻分布于錐臺(tái)表面，并由一分三功分饋電網(wǎng)絡(luò)實(shí)現(xiàn)對(duì)三個(gè)單元的等幅同相饋電，實(shí)現(xiàn)水平全向輻射。錐臺(tái)的上底直徑為Dup=78.3 mm，下底直徑為Ddown=113 mm，高度為H=110 mm。

圖2 錐臺(tái)共形天線陣列結(jié)構(gòu)Fig.2 Structure of conformal microstrip antenna array on cone frustum

三個(gè)天線陣單元通過(guò)一分三功分饋電網(wǎng)絡(luò)完成等幅同相饋電，其平面結(jié)構(gòu)如圖3 所示。一分三功分饋電網(wǎng)絡(luò)在進(jìn)行功率分配的同時(shí)完成三路90 Ω 阻抗端口到一路50 Ω 阻抗端口的阻抗變換，中間引入波長(zhǎng)阻抗變換段，變換段阻抗為31.7 Ω，其線寬w2=2.34 mm，長(zhǎng)度y1=11.3 mm，y2=21 mm。后端接50 Ω微帶傳輸線，其線寬w3=1.6 mm，并與50 Ω SMA 接頭匹配。在傳輸線上附加相位調(diào)節(jié)枝節(jié)，使得3，4 兩端口相對(duì)2 端口在相位上延遲2π，即一個(gè)波長(zhǎng)的距離λg=129 mm，從而保證2，3，4 端口為等幅同相饋電[14]。

圖3 一分三功分饋電網(wǎng)絡(luò)平面結(jié)構(gòu)Fig.3 Plane structure of one-to-three feed network

2 錐臺(tái)共形對(duì)天線性能的影響分析

通過(guò)設(shè)計(jì)使平面結(jié)構(gòu)的微帶天線單元在1.575 GHz頻點(diǎn)諧振，圓極化輻射性能良好，此時(shí)天線尺寸為W=L=58.7 mm，天線貼片為正方形。仿真得到的天線增益曲線、軸比曲線如圖4 所示。然后將該天線與錐臺(tái)共形，其尺寸參數(shù)保持不變。天線增益曲線、軸比曲線的變化如圖4 所示。由仿真結(jié)果可知，天線共形后增益最大值基本不變，但是增益最優(yōu)頻點(diǎn)從1.575 GHz 移動(dòng)到1.583 GHz，如圖4a）所示；共形后軸比性能變差，軸比最優(yōu)頻點(diǎn)由1.575 GHz 移動(dòng)到了1.59 GHz，偏離了天線的諧振頻點(diǎn)，如圖4b）所示。

圖4 平面天線與共形天線性能對(duì)比Fig.4 Performance comparison of planar antenna and conformal antenna

為進(jìn)一步分析天線性能改變的原因，將共形后的天線作為二端口網(wǎng)絡(luò)進(jìn)行仿真，天線輸入端口1，2 的位置如圖1 所示。仿真得到兩輸入端口的輸入阻抗曲線如圖5 所示。天線共形后端口2 的輸入阻抗相比端口1 發(fā)生明顯改變，阻抗實(shí)部的變化會(huì)導(dǎo)致信號(hào)幅度不同，阻抗虛部的變化會(huì)導(dǎo)致信號(hào)相位不同，兩路信號(hào)的等幅正交性不能保證，使得天線的圓極化性能下降[15]。

圖5 雙端口輸入阻抗比較Fig.5 Comparison of input impedance of dual port

3 錐臺(tái)共形天線調(diào)整

3.1 天線圓極化性能調(diào)整

為減小共形給天線帶來(lái)的影響，改善平面天線共形之后的圓極化性能，分別對(duì)寬度W、長(zhǎng)度L、切角尺寸c參數(shù)進(jìn)行仿真分析，發(fā)現(xiàn)當(dāng)微帶貼片保持正方形時(shí)，上述參數(shù)的變化未能改善天線圓極化性能。

下面，對(duì)寬度W添加一增量dx使貼片變?yōu)殚L(zhǎng)方形，然后對(duì)增量dx進(jìn)行仿真分析。當(dāng)dx在小范圍內(nèi)增加時(shí)，S11曲線變化明顯，如圖6a）所示；天線軸比最小值隨著dx的增加而下降，最優(yōu)頻點(diǎn)向低頻移動(dòng)，在dx=0.4 mm 時(shí)最優(yōu)，如圖6b）所示；圓極化增益的最大值點(diǎn)也隨之向低頻移動(dòng)，如圖6c）所示。

圖6 中S11和軸比的變化體現(xiàn)著天線輸入阻抗的變化。可以看出，增加寬度W能夠調(diào)整輸入阻抗，降低兩個(gè)端口間的阻抗差異，提高兩路信號(hào)的等幅正交性。因此，可以通過(guò)調(diào)整寬度W來(lái)減少共形的影響，改善天線的圓極化輻射性能。

3.2 天線諧振頻點(diǎn)調(diào)整

加工天線實(shí)物時(shí)，微帶天線介質(zhì)基底存在介電常數(shù)漂移的現(xiàn)象，這會(huì)改變天線的諧振頻點(diǎn)。此時(shí)，可以采用切角的方式對(duì)設(shè)計(jì)制造出的天線做進(jìn)一步的調(diào)整。天線共有四個(gè)切角，位置如圖7 所示，切角大小相同，均為等腰直角三角形，其直角邊長(zhǎng)為c。

圖7 微帶天線切角調(diào)整方法示意圖Fig.7 Schematic diagram of corner-cutting adjustment method of microstrip antenna

對(duì)不同切角大小的天線進(jìn)行仿真，得到S11曲線、軸比曲線、圓極化增益曲線和水平方位面方向圖，如圖8所示。當(dāng)切角在小范圍內(nèi)增加時(shí)天線諧振頻點(diǎn)向高頻移動(dòng)，如圖8a）所示；同時(shí)天線的軸比最優(yōu)頻點(diǎn)和圓極化增益最優(yōu)頻點(diǎn)也隨之一起向高頻偏移，如圖8b），圖8c）所示；但水平方位面上各方向的增益變化較小，如圖8d）所示。天線總體性能基本不受影響，可以通過(guò)切角方式調(diào)整諧振頻率。

4 天線實(shí)物性能測(cè)試

經(jīng)過(guò)調(diào)整優(yōu)化得到天線最終設(shè)計(jì)方案，最終天線的尺寸為W=59.1 mm，L=58.7 mm，其他設(shè)計(jì)參數(shù)保持不變。加工制作出錐臺(tái)共形導(dǎo)航天線實(shí)物如圖9所示。

對(duì)天線實(shí)物的S11參數(shù)、圓極化增益、水平方位面和俯仰方位面增益進(jìn)行測(cè)試，并將實(shí)測(cè)數(shù)據(jù)與HFSS 仿真結(jié)果進(jìn)行對(duì)比。

天線的S11曲線如圖10a）所示，在1.55～1.6 GHz 范圍內(nèi)，天線S11≤-10 dB，工作頻帶覆蓋了GPS L1 頻點(diǎn)和北斗導(dǎo)航B1頻點(diǎn)，天線實(shí)物樣機(jī)的S11曲線較仿真結(jié)果略偏向低頻。天線的圓極化增益曲線如圖10b）所示，實(shí)測(cè)圓極化增益與仿真圓極化增益基本吻合。測(cè)量天線在GPS L1 頻點(diǎn)和北斗B1 頻點(diǎn)的水平方位面和俯仰面方向圖，測(cè)量結(jié)果如圖10c），圖10d）所示。天線在GPS L1 頻點(diǎn)和北斗B1 頻點(diǎn)的方位面增益最大值分別為1.73 dB，1.25 dB，最小增益分別為-0.41 dB，-0.9 dB。兩頻點(diǎn)方位面方向圖基本為圓，不圓度分別為2.14 dB，2.15 dB。天線俯仰面方向圖基本為“8”字型，如圖10d）所示。

圖8 天線性能隨切角大小c 的變化Fig.8 Change of antenna performance with size c of cut corner

圖9 錐臺(tái)共形導(dǎo)航天線實(shí)物Fig.9 Prototype of conformal navigation antenna array on cone frustum

5 結(jié) 語(yǔ)

本文在電小尺寸錐臺(tái)上，設(shè)計(jì)并實(shí)現(xiàn)了一款雙饋圓極化共形微帶導(dǎo)航天線陣。在設(shè)計(jì)過(guò)程中，首先仿真分析了錐臺(tái)共形對(duì)天線單元性能的影響；然后在此基礎(chǔ)上，通過(guò)調(diào)整天線寬度W參數(shù)來(lái)改善阻抗匹配情況，提高了共形天線圓極化性能；其次，為方便天線的修改與調(diào)整，采用切角方式調(diào)節(jié)天線的諧振頻率；最后，根據(jù)最優(yōu)設(shè)計(jì)方案，制作出天線實(shí)物并進(jìn)行性能測(cè)試。測(cè)試結(jié)果表明，該天線在1.55～1.60 GHz 頻段內(nèi)S11參數(shù)小于-10 dB，在GPS L1 頻點(diǎn)和北斗B1 頻點(diǎn)的水平方位面增益最大值分別為1.73 dB，1.25 dB，兩頻點(diǎn)水平方位面方向圖基本為圓，不圓度分別為2.14 dB，2.15 dB，具有良好的水平全向圓極化輻射性能。