王玉峰，張明芳，徐俊梅

(中國電子科技集團公司第三十六研究所，浙江嘉興314033)

0 引言

隨著飛行器技術(shù)的發(fā)展，飛行器通信系統(tǒng)需要傳輸?shù)臄?shù)據(jù)量越來越大、速率要求越來越高，對其性能提出了更高的要求。在飛行器通信系統(tǒng)中，為了使接收天線不受飛行體運動軌跡和姿態(tài)的影響而出現(xiàn)信號收不到的現(xiàn)象，希望裝在飛行體上的發(fā)射天線產(chǎn)生的輻射方向圖在水平面為圓，垂直面為“8”［1］。對于有一定直徑的圓柱體飛行器而言，單付天線裝載在其側(cè)身上很難實現(xiàn)水平面的全向波束覆蓋，將全向天線安裝于飛行器的頭部是一種較好的解決方案，具有全向方向圖覆蓋的倒L天線由于其剖面特性在飛行器上得到較多的應(yīng)用，但由于彈體本身的金屬結(jié)構(gòu)，會對垂直面方向圖有所影響，同時受限于飛行器前端天線罩的空間［2］。共形天線由于與載體形狀一致，天線本身作為飛行器表面的一部分，得到了人們廣泛的關(guān)注［3］。雖然半波振子天線或單極子天線可實現(xiàn)全向的方向圖，但很難實現(xiàn)共形設(shè)計。在共形天線的工程應(yīng)用和研究中，微帶天線因其剖面低、重量輕、易于與復(fù)雜載體共形而獲得了大量的應(yīng)用，將低剖面微帶天線共形于載體外表面，形成了圓柱共形微帶陣列，實現(xiàn)了水平面較好的全向覆蓋;并成為圓柱狀金屬體上實現(xiàn)共形全向天線的典型設(shè)計［4－6］。本文采用八元微帶縫隙天線單元，覆在圓柱形金屬外表面上，構(gòu)成圓柱共形的全向天線。對提出的天線進行仿真、優(yōu)化，得到水平面全向、垂直面“8”字形方向圖。

1 圓柱共形陣列基礎(chǔ)

圓柱形共形陣是由單元天線沿圓柱體的表面組成陣列，最常見的圓柱共形陣是陣元在垂直放置的圓柱體的一個水平切面上，即為圓形陣列形式。通過多個圓形陣列在圓柱軸線方向上組陣可以實現(xiàn)三維的圓柱共形陣列。圓形陣列的遠場坐標(biāo)圖及其本身圓形剖面內(nèi)陣列遠場坐標(biāo)圖如圖1所示。

圖1 圓形陣列坐標(biāo)圖

圖1(a)中φ為遠場輻射方位角、θ為俯仰角;(b)中R為陣列口徑、Δφ為相鄰單元間的角度差。圓形陣列在方位面的遠場輻射方向圖表達式［7］為:

式中，Vn為第n個單元的激勵幅度，k=2 /λ為傳播常數(shù)，EL(φ)是單元方向圖。式中的相位以圓心為參考，相同陣列單元沿圓周以間隔RΔφ排列，每個單元均指向輻射方向，單元函數(shù)均是單元位置的函數(shù)，不存在公共的單元因子，所以不能像一般線性和平面陣列那樣定義一個陣列因子，除非所有陣列單元為各向同性單元，至少水平面各向同性。

2 天線結(jié)構(gòu)及設(shè)計

2.1 縫隙天線結(jié)構(gòu)及原理

微帶縫隙天線的基本結(jié)構(gòu)與等效電路圖如圖2所示。

圖2 縫隙天線基本結(jié)構(gòu)及其等效電路圖

如圖2(a)所示，在長L、寬W、高h的金屬地板上開一個長Ls、寬Ws的矩形輻射縫隙，采用微帶線饋電，長Lf、寬Wf，介質(zhì)基片介電常數(shù)εr。天線等效于如圖2(b)所示的等效電路，輸入阻抗由輻射電阻R和電抗X串聯(lián)組成，當(dāng)天線工作于其設(shè)計工作頻率時，電抗X=0。若設(shè)計工作波長為λ0，則W通常在0.5 1λ0、L通常在12λ0，Ls=λg/2，其中為等效介電常數(shù)，其表達式為

2.2 單元天線及共形天線陣

本文天線由具有低剖面特性的縫隙天線單元組成，單元天線的平面結(jié)構(gòu)圖如圖3所示。低剖面單元天線主要由輻射體、介質(zhì)、饋線、金屬底板組成，其中天線輻射體是一塊刻蝕了H形縫隙的長L、寬W的金屬鍍層，H縫隙中心水平部分縫隙長Ld、寬Wd，兩側(cè)垂直部分縫隙長Ls、寬Ws;介質(zhì)層位于輻射體下方，俯視尺寸與輻射體相同，厚度為t;饋線位于介質(zhì)層下方，長Lf、寬Wf;金屬底板位于整個結(jié)構(gòu)的最下層，與介質(zhì)層間距為h。

圖3 低剖面天線單元平面結(jié)構(gòu)圖

圖3中，天線通過位于印制板底層的微帶線對H形縫隙進行激勵，從而輻射一定頻段內(nèi)的電磁波。該單元天線形式適合應(yīng)用于共形天線陣，主要表現(xiàn)在以下幾點:

(1)單元天線具有低剖面特性，適合用來構(gòu)成共形天線。窄縫天線的厚度一般為0.1λg左右，遠小于帶反射板偶極定向天線的0.25λg;

(2)單元天線在縫隙長度方向具有小尺寸，相比普通縫隙天線，在固定的載體尺寸上可以裝載更多的單元，從而獲得更好的水平面方向圖全向性。對于縫隙天線，縫隙長度一般為0.5λg，采用H形縫隙相當(dāng)于在直線縫隙的兩端進行加載，減小縫隙的長度，實現(xiàn)小型化。

對提出的H形天線進行仿真設(shè)計并優(yōu)化，得到設(shè)計尺寸為:L=50mm、W=55mm、Ls=32mm、Ws=1mm、Ld=48mm、Wd=1mm、Lf=44mm、Wf=1.5mm、t=0.5mm、h=9mm。

圖3縫隙天線為單元組成的共形天線陣如圖4所示。天線直徑D=170mm，包裹在φ150mm的彈體表面，天線高度為L。將圖4的8元天線通過8合1合路器合成一路輸出。

圖4 共形天線結(jié)構(gòu)圖

3 仿真結(jié)果及分析

對設(shè)計的圓柱共形微帶縫隙天線進行了仿真優(yōu)化設(shè)計，天線仿真電壓駐波比如圖5所示。天線在2.83 3.15GHz頻段范圍內(nèi)具有良好的阻抗匹配特性，電壓駐波比≤1.5，相對帶寬為5.35%。

設(shè)計的天線增益為4.2dBi，考慮到天線的8個輸出端口要通過電纜連接到8合一合路器上，電纜和合路器的插損預(yù)計在1.2dB以內(nèi)，實際天線增益預(yù)計在3dBi左右。3GHz處天線仿真水平面和垂直面歸一化方向圖如圖6所示。

由圖6(a)可知，天線在水平面具有較好的全向特性，不圓度1.1dB;圖6(b)中的垂直面方向圖呈“8”字形，波束寬度50°左右。

圖5 本文天線的電壓駐波比

圖6 仿真天線歸一化方向圖

4 結(jié)束語

本文設(shè)計了一種圓柱體表面共形的微帶縫隙天線陣，根據(jù)確定的圓柱體直徑，采用8元天線圍繞圓柱表面一周從而組成水平面全向覆蓋、垂直面“8”字形的方向圖。設(shè)計的天線獲得了5.35%的相對帶寬，仿真增益達到4.2dBi，水平面不圓度≤1.5dB，垂直面波束寬度50°左右。該天線可用作彈載平臺等具有圓柱表面的共形全向天線，并且可以應(yīng)用多個陣列在垂直面上組陣來獲得更高的增益。

［1］ 張福順，焦永昌，馬金平，等.彈體上S波段微帶共形天線陣［J］.電波科學(xué)學(xué)報，1998，13(2):209－212.

［2］ 程喆.小型化錐面共形微帶天線陣及彈載倒L天線的研究［D］.西安:西安電子科技大學(xué)，2010.

［3］ 朱永忠，許家棟.共形全向天線的研究進展［J］.蘇州大學(xué)學(xué)報(自然科學(xué)版)，2011，27(4):34－39.

［4］ 尹應(yīng)增，龔書喜，劉其中.一種圓柱共形的全向微帶天線［J］.電波科學(xué)學(xué)報，1997，2(1):96－99.

［5］ 鄭治泰，孫從武，張小苗，等.一種圓柱共形陣天線的仿真和設(shè)計［J］.空間電子技術(shù)，2007，4(2):53－56.

［6］ Yang Xue-Song，Qian Hao，Wang Bing-Zhong，et al.Radiation.Pattern Computation of Pyramidal Conformal Antenna Array with Active-Element Pattern Technique［J］.Antennas and Propagation Magazine，2011，53(1):28 － 37.

［7］ Lars Josefsson，Patrik persson.Conformal Array Antenna Theory and Design［M］.New Jersey:Wiley，2006:20 －23.

［8］ 李曉峰.平面縫隙天線的研究與設(shè)計［D］.蘭州:蘭州大學(xué)，2006.