錢祖平 韓振平 倪為民 劉宗全

（1.解放軍理工大學通信工程學院，江蘇 南京 210007；2.東南大學毫米波國家重點實驗室，江蘇 南京 210096）

引 言

共形天線以其結構容易與載體共形而節(jié)省空間這一突出的優(yōu)點在軍事和民用上具有廣泛的應用空間。對寬頻帶共形天線的研究具有重要的意義，并已經成為天線領域的研究熱點。共形天線的載體常用的有圓柱體［1］、圓錐體［2］和球體［3］等多種形狀，共形天線的特性與平面結構的情況相比會發(fā)生很大的變化，而且共形載體的尺寸，材料屬性都會影響天線的工作性能。因此共形載體的選取在寬頻帶天線設計中至關重要，已有學者研究了載體特性的變化對于窄帶共形天線性能的影響［4］，但對于寬帶共形天線的研究較少。

研究證明:螺旋天線［5］、正旋天線［6］以及橢圓形［7-8］，半橢圓形［9］以及矩形［10］單極子天線具有不同程度的寬頻帶特性，可以與球面或柱面共形，以獲得寬頻帶共形天線。在文獻［10］的基礎上，首先設計了一個具有寬頻帶特性的平面單極天線，將其作為輻射單元與柱體共形。通過改變柱體曲率半徑、長度和介電常數等參數的大小，詳細分析其參數變化對于共形天線性能的影響。實際加工制作的天線，具有寬頻帶特性，在工作頻段內具有較好的輻射特性，增益穩(wěn)定。

1.共面波導饋電分析

平面天線為一矩形單極子天線，結構如圖1所示。介質板較薄時天線易于共形，但介質材料厚度較薄，采用微帶饋電時不易獲得50Ω的輸入阻抗，因此，采用共面波導（CPW）饋電形式。共面波導相對于微帶線，具有輻射損耗小、色散低、易與其他元器件實現串并連接，提高電路集成度等優(yōu)點。共面波導內導帶終端開路，作為饋源對縫隙進行激勵。天線的縫隙結構等效于一個匹配網絡，通過調節(jié)導帶的長度L3，導帶與地板的窄縫隙g，地板與輻射單元之間的縫隙寬度g1，可以達到良好的阻抗匹配。

共面波導的特性阻抗由介質基片的厚度h，相對介電常數εr，饋電導帶的寬度w，導帶與金屬地板之間的縫隙間隔g等參數共同決定。計算公式如下［11］

式中:εeff為共面波導介質的相對有效介電常數，表示為

為實現50Ω阻抗匹配，經計算導帶寬度w為3.2mm.基板選擇的是相對介電常數εr為2.55的F4B-2型介質板，厚度h為0.2mm，介質損耗為0.001.基于設計的要求，天線的初始參數如表1所示，基板尺寸為40mm×40mm.

圖1 平面單極天線結構示意圖

表1 天線的初始參數值（單位:mm）

2.共形天線性能及其參數分析

為增加天線的實用性，選取圓柱作為共形載體，高度H=50mm，半徑R=40mm，如圖2所示。

圖2 柱面共形天線結構示意圖

圖3顯示了平面天線與柱體共形之后的反射系數變化曲線，由圖可看出:平面天線反射系數S11≤-10dB的阻抗帶寬覆蓋了2～20GHz，且最高頻率處沒有出現截止現象。與圓柱體共形之后反射系數S11的性能變差，饋線上的電流變化幅度增大。主要是由于在圓柱共形情況下，平面天線結構與饋線均發(fā)生彎曲，天線的輸入阻抗發(fā)生了變化，天線與饋線的特性阻抗不再匹配所致。從圖3中可以看出:共形后的天線阻抗帶寬與平面情況相比變窄，為了改善共形天線的阻抗匹配以及帶寬特性，對圓柱載體的半徑R、介電常數εr以及高度H進行調節(jié)，研究柱體參數對天線特性的影響。

圖3 平面天線及其共形后的S11變化曲線

2.1 柱體半徑R對天線性能的影響

柱形載體的介電常數εr=1.03。圖4顯示了柱體半徑R變化時反射系數S11的變化曲線，由圖中可以看出:R的變化引起天線各個諧振點的偏移，造成阻抗匹配情況的變化，阻抗帶寬也發(fā)生改變。R值越小，共形天線的反射系數曲線與平面越來越接近。對于給定的平面天線結構，柱體半徑R值取得越小，天線的阻抗匹配情況越好，共形天線越接近于平面結構，其駐波性能也越接近于平面性能。

圖4 天線S11隨R變化的特性曲線

圖5顯示了天線的XZ面和YZ面輻射方向圖隨R的變化特性，選取工作頻率為10GHz.由圖可知:共形天線具有后向輻射，柱體的半徑R的改變引起天線輻射強度的變化，半徑R值減小時后向輻射加強，最大增益值變大。增益的變化情況與反射系數S11的變化情況相吻合，柱體半徑R值越小，天線的反射系數性能越好，增益也相對較高。

2.2 柱體εr值對天線性能的影響

前面分析R的變化對天線性能的影響，選取的柱體介電常數εr=1.03.在實際應用中，大多數的共形載體采用的介電常數為2.1～3.0，因此，研究柱體不同的εr值對天線性能的影響，工作頻率為10 GHz.

圖6顯示了不同的εr值對天線阻抗特性S11的影響。由圖可知，當εr變大時，天線的諧振頻率點增多，下陷程度減小，天線的匹配變差，造成整個帶寬的減小。結果表明:載體的介電常數對天線的阻抗特性影響較大，設計寬帶共形天線時，應選擇合適的共面載體以實現天線的性能。

圖7顯示了εr值的變化對于天線輻射特性的影響。由圖可知，介電常數εr的變化對方向圖的影響很明顯。當εr變大時，天線的輻射特性顯著加強，輻射增益變大。當εr=2.08時，XZ面的定向性增強，YZ面的全向輻射得到改善。當εr=3.0時，XZ面趨于全向輻射，而YZ面波動較大，造成一些角度輻射變差。

2.3 柱體高度H對天線性能的影響

研究柱體高度H對天線性能的影響。有關文獻［4］證明柱體長短對窄帶共形天線的輸入阻抗影響較小，柱體越短，方向圖起伏越大。

如圖8所示天線S11隨H的變化特性。由圖可見在2～6GHz低頻段和18～20GHz高頻段，S11的變化較大，H=75mm時.高頻處產生失配現象，對帶寬產生一定影響。

如圖9所示，天線的輻射特性隨H的改變發(fā)生波動，當H=50mm時，天線的輻射增益相對較大，定向性增強。隨著H的增大，XZ面和YZ面的定向輻射減弱，天線兩側的輻射加強，Z軸方向輻射強度減弱。

3.實測結果分析

按照仿真結果，實際加工制作了一個柱面共形天線，如圖10所示。柱體為泡沫材料，其介電常數為1.03，柱體半徑R=20mm，高度H=75mm.測試工作在微波暗室完成，由矢量網絡分析儀測得的反射系數S11曲線如圖11所示。諧振點的位置位于3.5GHz、11.4GHz和17.5GHz，與仿真結果相比諧振點發(fā)生一定的偏移，反射系數S11曲線深度加深，整個頻段內的變化趨勢和阻抗帶寬與仿真結果一致。利用實驗室的標準喇叭天線測試了天線諧振點3.5GHz、11.4GHz處的輻射方向圖，利用比較法計算出天線的實際增益大小，描繪出的增益方向圖如圖12所示。由于加工和焊接精度的誤差造成天線損耗的增大，以及周圍環(huán)境的影響，實測結果與仿真結果相比，實測的輻射方向圖輻射強度較小，最大增益低于仿真結果。由于高頻時的波瓣惡化較大，可用頻段覆蓋2～16GHz.

圖12 實測方向圖與仿真結果對比

4.結 論

對于寬頻帶共形天線，柱體半徑R的變化會引起天線高頻端諧振點的偏移，造成阻抗匹配情況的改變，但對總體的帶寬影響不大，選取較小的半徑R，可改善天線的輻射特性。柱體介電常數對天線性能影響較大，當εr變大時，天線的諧振頻率點增多，下陷程度減小，天線的匹配變差，造成整個帶寬的減小，但天線的輻射特性加強，輻射增益變大。柱體高度H較小時，天線的輻射增益相對較大，定向性增強。隨著H的增大，XZ面和YZ面的定向輻射減弱，天線兩側的輻射加強，Z軸方向輻射強度減弱。因此，在設計寬頻帶共形天線時，共形載體的選取對天線的性能至關重要，以上結論可對載體的選取提供了可靠依據。

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