大曲率柱面共形天線的對(duì)比研究

周志鵬，劉 軍

（沈陽(yáng)理工大學(xué)，遼寧 沈陽(yáng) 110159）

0 引 言

共形天線是可以與安裝表面共形且不影響安裝表面的氣動(dòng)外形的一類天線，廣泛應(yīng)用于各類飛行器表面[1-3]。微帶天線具有低剖面的特點(diǎn)，具有共形的天然優(yōu)勢(shì)，是共形天線的首選，因此在共形場(chǎng)景下得到了廣泛的應(yīng)用[4]。而柱面是應(yīng)用最多的共形曲面，因此對(duì)柱面共形天線的分析具有廣泛的代表性。圓柱的曲率與其半徑成反比，大曲率柱面即圓柱的半徑較小。當(dāng)圓柱的半徑與微帶天線的諧振波長(zhǎng)相當(dāng)時(shí)，可以忽略柱面曲率對(duì)天線的影響，而當(dāng)柱面的曲率增大時(shí)，微帶共形天線的諧振頻率會(huì)隨著曲率的增大而減小，而且會(huì)改變天線的輸入阻抗，使其回波損耗增大[5,6]。同時(shí)，在實(shí)際加工過(guò)程中，介質(zhì)基板有不易彎曲的特性，這也加大了大曲率微帶共形天線的制作難度。柱面縫隙天線由平面開縫導(dǎo)體片天線演變而來(lái)，把平面導(dǎo)體片彎折成柱面后，就形成了柱面縫隙天線，因此其天然就與柱面共形。這種天線是由Andrew Alford提出的，與微帶天線相比，其不需要大面積的介質(zhì)基板，沒有介質(zhì)損耗，具有更高的輻射效率，更適合在大曲率表面做共形[7]。

本文通過(guò)對(duì)比微帶共形天線與柱面縫隙天線對(duì)曲率的敏感度，仿真驗(yàn)證了曲率變化對(duì)微帶共形天線的影響更大，而柱面共形天線更適合在大曲率柱面上共形。

1 微帶共形天線

1.1 平面微帶天線

為了對(duì)比大曲率下微帶共形天線的效果，首先仿真了一個(gè)諧振頻率950 MHz的平面微帶天線，采用同軸線饋電，微帶天線仿真模型如圖1所示。其中介質(zhì)基板采用了2 mm厚的FR4環(huán)氧樹脂，其相對(duì)介電常數(shù)εr=4.4。

圖1 微帶天線仿真模型

通過(guò)仿真得到了天線的S11參數(shù)，如圖2所示。圖2（a）的S11值在950 MHz頻點(diǎn)處小于-20 dB，達(dá)到了設(shè)計(jì)要求。而圖2（b）是在不改變天線尺寸直接在半徑為150 mm的柱面上直接做共形，直徑D=300 mm與諧振波長(zhǎng)相當(dāng)。從圖2中可以看出，共形后諧振點(diǎn)沒有產(chǎn)生大的偏移，且阻抗匹配良好。當(dāng)共形柱面半徑較大時(shí)，對(duì)微帶天線的影響可以忽略。在小曲率柱面下，共形效果良好。

圖2 微帶天線的S11參數(shù)

1.2 曲率對(duì)微帶天線的影響

為了了解柱面曲率對(duì)的微帶天線的影響，本節(jié)將增大柱面的曲率，即減小共形柱面的半徑，而天線的尺寸及饋電方式都不改變。將柱面的半徑從150 mm依次遞減到130 mm和100 mm，得到曲率增大時(shí)的效果對(duì)比。這2個(gè)半徑下的仿真結(jié)果如圖3所示。由圖3（a）可以看到，當(dāng)柱面半徑為130 mm時(shí)，天線的諧振頻點(diǎn)出現(xiàn)了偏移，其諧振頻點(diǎn)減小至930 MHz左右，而天線的阻抗沒有發(fā)生明顯的變化。當(dāng)繼續(xù)增大柱面曲率，即半徑減小到100 mm，諧振頻點(diǎn)繼續(xù)向左偏移，減小到了770 MHz左右，并且在諧振頻點(diǎn)的S11參數(shù)大于-5 dB，說(shuō)明天線的阻抗已經(jīng)發(fā)生了大的變化，從而導(dǎo)致阻抗失配，進(jìn)而使天線的回波損耗增大。

圖3 不同曲率下的S11參數(shù)

2 柱面縫隙天線

2.1 曲率對(duì)柱面縫隙天線的影響

因?yàn)橹婵p隙天線是由平面縫隙天線演化而來(lái)的，柱面縫隙天線演化如圖4所示。因此，其基本輻射機(jī)理與平面縫隙天線是相同的，都是通過(guò)縫隙向外輻射電磁波。而對(duì)于平面縫隙天線的分析，可以由巴比涅原理等效成與其互補(bǔ)的對(duì)稱陣子天線，可以大大簡(jiǎn)化分析過(guò)程。而對(duì)于柱面縫隙天線的精確分析可以借助圓柱坐標(biāo)系下麥克斯韋方程，并帶入相應(yīng)的邊界條件，即可求得其輻射場(chǎng)。為了直觀地看出曲率對(duì)柱面縫隙天線的影響，對(duì)不同直徑的柱面縫隙天線進(jìn)行了對(duì)比仿真。

圖4 柱面縫隙天線演化

其諧振頻率仍然設(shè)為950 MHz，故其波長(zhǎng)λ≈316 mm，首先仿真直徑D=300 mm的柱面縫隙天線，然后在天線的縫隙尺寸不變的情況下，將柱面縫隙天線的直徑依次降到D=250 mm、D=200 mm和D=150 mm。不同直徑下柱面縫隙天線的 S11 參數(shù)如圖5所示?？梢钥吹诫S著柱面直徑的不斷減小，S11曲線變化的幅度很小，只是諧振頻點(diǎn)隨直徑的減小出現(xiàn)了小幅度的左移，而天線的回波損耗幾乎沒有變化。這表明柱面縫隙天線特性阻抗對(duì)曲率變化的敏感度較低。而在仿真中，看到微帶天線的特性阻抗隨曲率的變化有較為明顯的改變，導(dǎo)致阻抗失配。因此，相比微帶共形天線，柱面縫隙天線更適合在較大曲率的柱面上共形，而且沒有介質(zhì)損耗，有更小的回波損耗。

圖5 不同直徑下柱面縫隙天線的S11參數(shù)

2.2 不同曲率對(duì)柱面縫隙天線的方向圖的影響

雖然曲率的變化對(duì)天線的特性阻抗影響不大，但圓柱體的大小對(duì)電磁波在空間中的傳播方向會(huì)有影響。因此，本節(jié)將對(duì)曲率對(duì)柱面縫隙天線的輻射方向圖進(jìn)行對(duì)比分析。首先假設(shè)開縫圓柱面的直徑為D，饋源信號(hào)的波長(zhǎng)為λ，為了更加直觀地對(duì)比分析不同曲率對(duì)其輻射方向圖的影響，針對(duì)不同曲率的開縫圓柱面分為3種情況進(jìn)行對(duì)比分析，分別為D＞λ、D≈λ、D＜＜λ。使用電磁仿真軟件HFSS進(jìn)行仿真分析，得到不同曲率下的輻射方向圖對(duì)比。

（1）當(dāng)開縫圓柱面的曲率較小時(shí)，即D＞λ，中心頻率設(shè)置為950 MHz，根據(jù)波長(zhǎng)與頻率的關(guān)系，λ≈31 cm。開縫圓柱面的直徑設(shè)為50 cm。圖6（a）為仿真得到的天線的XOY面方向圖。由天線的XOY面方向圖可以看出其主波束范圍約在-150°～-30°，其中輻射縫隙的位置在φ=0°，可以看出其輻射方向主要分布在縫隙的正面，而背面由于柱面的遮擋影響，其增益較小。

（2）當(dāng)開縫圓柱面的曲率半徑與波長(zhǎng)相當(dāng)時(shí)，即D≈λ，波長(zhǎng)λ仍為31 cm，而開縫圓柱面的直徑設(shè)置為30 cm。圖6（b）為D=30 cm時(shí)的E面方向圖，可以看到在開縫的方位處，即φ=0°的方位上增益減小，同時(shí)旁瓣和后瓣的增益在增大，說(shuō)明當(dāng)柱面直徑減小時(shí)，電磁波將可以繞射到圓柱面的側(cè)面和后面。相比于圖6（a），圖6（b）的方向性在下降，全向性在增加。

（3）當(dāng)開縫圓柱面的曲率較大時(shí)，即D＜＜λ，波長(zhǎng)的值不變，仍為λ=31 cm。令D=0.125λ，即D=38.75 mm進(jìn)行仿真，結(jié)果如如圖6（c）所示。其XOY面方向圖接近一個(gè)圓形，與圖6（a）、圖6（b）相比具有明顯的全向特性。為更清楚表明這一特性，令柱面曲率更大，D=10 mm。如圖6（d）所示，其XOY面方向圖近乎一個(gè)完美的圓形。

圖6 不同曲率下的方向圖

以上的仿真結(jié)果表明，隨著柱面曲率的不斷增大，天線的輻射方向圖在垂直于開縫方向上趨近于全向性。因此當(dāng)對(duì)天線對(duì)輻射方向有要求時(shí)，可以通過(guò)調(diào)整柱面的曲率改變天線的輻射方向。

3 仿真結(jié)果分析

由仿真曲率對(duì)微帶共形天線和柱面縫隙天線的影響，得到了微帶天線的特性阻抗更容易受柱面曲率的影響。在曲率較大時(shí)，微帶共形天線會(huì)產(chǎn)生阻抗失配，引起較大的回波損耗，而且會(huì)使諧振頻點(diǎn)有較大的偏移，導(dǎo)致天線達(dá)不到設(shè)計(jì)要求。柱面縫隙天線在曲率增大時(shí)，天線的特性阻抗變化較小，在曲率較大時(shí)也保持了良好的阻抗匹配。隨著曲率的增大，柱面縫隙天線在諧振頻點(diǎn)處的S11值都小于-25 dB，而因曲率的變化而引起的頻移也比較小。通過(guò)對(duì)比，柱面縫隙天線的特性阻抗對(duì)曲率變化的敏感度更低，更適合在大曲率柱面上做共形。同時(shí)，對(duì)柱面縫隙天線的方向性隨曲率的變化進(jìn)行了分析。隨著曲率的增大，天線的定性性在減小，全向性在增加。在與輻射縫隙垂直的水平面上，其方向圖隨著曲率的增大，逐漸呈現(xiàn)一個(gè)圓形，表明隨著曲率的增大，在水平面上具有全向輻射特性。

4 結(jié) 論

通過(guò)分析，微帶共形天線適合在小曲率柱面上共形，而柱面縫隙天線對(duì)曲率變化的敏感度更低，在曲率較大的曲面上，柱面縫隙天線更適合做共形。曲率對(duì)柱面縫隙天線的影響主要體現(xiàn)在對(duì)輻射場(chǎng)分布的影響，隨著曲率的增大，其在水平方向的波瓣圖將趨近于圓形。