張 敏 趙 旭 王一笑 王偉光 楊穎怡

( 中國(guó)航天科工集團(tuán)8511研究所，江蘇 南京 210007 )

引 言

目前，通信、雷達(dá)系統(tǒng)平臺(tái)越來(lái)越小，而通信、雷達(dá)偵察系統(tǒng)的不斷發(fā)展，對(duì)于天線(xiàn)的性能要求越來(lái)越高，這與基本的物理規(guī)律自相沖突和矛盾，給天線(xiàn)的設(shè)計(jì)帶來(lái)極大的困難.因此，大多的系統(tǒng)平臺(tái)都對(duì)天線(xiàn)提出了小型化、低剖面、高增益的要求[1-2].

本文就以上問(wèn)題，結(jié)合實(shí)際應(yīng)用背景，提出了一種低剖面開(kāi)槽天線(xiàn)，并以此天線(xiàn)為基礎(chǔ)，構(gòu)成低剖面陣列天線(xiàn)的方案，很好地解決了工程實(shí)際應(yīng)用難題.

低剖面開(kāi)槽天線(xiàn)是一種印刷天線(xiàn)[3]，該天線(xiàn)具有頻帶寬、增益高、結(jié)構(gòu)緊湊和小型輕便等優(yōu)點(diǎn)[4-5].在輻射貼片上開(kāi)U形縫隙，可引起貼片表面電流的變化，等效為引入阻抗匹配元件，從而改變輻射貼片的諧振特性，通過(guò)諧振電路之間的耦合作用進(jìn)而達(dá)到展寬頻帶的目的.

本文中天線(xiàn)單元的初始尺寸可由下式給出仿真初值[6-7]

(1)

式中：w為貼片長(zhǎng)度；L為貼片寬度；c為光速；εr為介質(zhì)板介電常數(shù)；εe為等效介電常數(shù)；fr為諧振頻率；h為介質(zhì)板厚度,在較低頻段工作時(shí),從減小天線(xiàn)重量及安裝面積和降低成本著眼, 地板尺寸WG和LG應(yīng)盡可能小,考慮背饋情況有

(2)

因此，其理論基礎(chǔ)與微帶天線(xiàn)具有相似性.

(a) 天線(xiàn)單元三維結(jié)構(gòu)圖

(b) 天線(xiàn)單元側(cè)視圖

(c) 天線(xiàn)單元俯視圖圖1 天線(xiàn)單元結(jié)構(gòu)圖

1 單元天線(xiàn)結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)及仿真

1.1 單元天線(xiàn)結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)

圖1為天線(xiàn)結(jié)構(gòu)示意圖,其中圖(a)為天線(xiàn)的三維坐標(biāo)圖,圖(b)為天線(xiàn)總體側(cè)視圖，圖(c)為天線(xiàn)總體俯視圖.從圖中可以看出, 在天線(xiàn)單元上層輻射貼片饋電點(diǎn)附近開(kāi)了一個(gè)U形縫隙，通過(guò)調(diào)整U形縫隙的位置、長(zhǎng)度和寬度，最終實(shí)現(xiàn)阻抗匹配達(dá)到展寬天線(xiàn)帶寬的目的.

1.2 單元天線(xiàn)的仿真

為減小介質(zhì)板對(duì)微帶天線(xiàn)性能的影響，選取ε=2.2，h=1 mm的介質(zhì)基板,介質(zhì)板與地板中間為空氣層, 此舉可降低等效諧振電路Q(chēng)值,從而進(jìn)一步展寬印刷天線(xiàn)帶寬.天線(xiàn)底層為地板,天線(xiàn)采用50 Ω的同軸線(xiàn)進(jìn)行饋電，這種饋電方式穩(wěn)定，后向輻射小，有效抑制了后瓣的產(chǎn)生.天線(xiàn)各尺寸參數(shù)如表1所示.

表1 天線(xiàn)參數(shù)尺寸

通過(guò)三維仿真軟件(High Frequency Structure Simulator ,HFSS)對(duì)天線(xiàn)單元進(jìn)行仿真得到的計(jì)算結(jié)果如圖2所示.其中圖(a)為單元天線(xiàn)的仿真駐波曲線(xiàn),從圖中可以知道，天線(xiàn)單元在1.45 ～1.85 GHz頻段范圍內(nèi)電壓駐波比(Voltage Standing Wave Ratio,VSWR)小于2，三個(gè)不同頻點(diǎn)的E面和H面仿真方向圖如圖(b)和(c)所示,天線(xiàn)單元在1.7 GHz時(shí)的最大增益為9.3 dB.

(a) 天線(xiàn)單元仿真駐波曲線(xiàn)

(b) 天線(xiàn)單元仿真E面方向圖

(c) 天線(xiàn)單元仿真H面方向圖圖2 天線(xiàn)單元仿真曲線(xiàn)

(a) 天線(xiàn)陣列正面圖

(b) 天線(xiàn)陣列背面圖圖3 天線(xiàn)陣列結(jié)構(gòu)圖

2 天線(xiàn)陣列設(shè)計(jì)仿真

2.1 天線(xiàn)陣列結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)

完成單元天線(xiàn)仿真后，可將天線(xiàn)單元組成一個(gè)四元陣列進(jìn)行仿真，并加工制作了陣列天線(xiàn)實(shí)物.圖3為天線(xiàn)陣列的功分網(wǎng)絡(luò)，通過(guò)兩級(jí)二等分功分器設(shè)計(jì)出饋電網(wǎng)絡(luò)，為了更好地實(shí)現(xiàn)阻抗匹配，在功分器末端加入匹配枝節(jié)對(duì)電壓駐波比進(jìn)行調(diào)節(jié)，這種結(jié)構(gòu)還保證實(shí)現(xiàn)各個(gè)陣元等幅同相.通過(guò)對(duì)天線(xiàn)陣列各個(gè)單元貼片的尺寸以及單元間距進(jìn)行微調(diào)優(yōu)化得到最理想的仿真結(jié)果.

圖4為四元天線(xiàn)陣列的仿真結(jié)果.其中(a)為天線(xiàn)陣的仿真駐波曲線(xiàn),天線(xiàn)在1.47 ～1.7 GHz 頻段范圍內(nèi)VSWR<2,天線(xiàn)陣列三個(gè)不同頻點(diǎn)的E面和H面仿真方向圖如圖(b)和(c)所示,可得到陣列天線(xiàn)在1.7 GHz時(shí)的最大增益為18.07 dB.

(a) 天線(xiàn)陣列仿真駐波曲線(xiàn)

(b) 天線(xiàn)陣列仿真E面方向圖

(c) 天線(xiàn)陣列仿真H面方向圖圖4 天線(xiàn)陣列仿真曲線(xiàn)

2.2 天線(xiàn)陣列結(jié)果分析

根據(jù)表1中天線(xiàn)單元的參數(shù)尺寸和天線(xiàn)陣列的仿真結(jié)果， 制作了天線(xiàn)陣列實(shí)物,如圖6所示,并對(duì)天線(xiàn)實(shí)物進(jìn)行了測(cè)試.在1.5 ～1.7 GHz的頻段范圍內(nèi)VSWR<2,相對(duì)帶寬達(dá)到13%,圖5是天線(xiàn)陣列的實(shí)測(cè)歸一化方向圖曲線(xiàn)，實(shí)測(cè)最大增益達(dá)到了18 dB，與仿真計(jì)算結(jié)果相符.表2為天線(xiàn)陣列中心頻點(diǎn)f=1.6 GHz的仿真結(jié)果與實(shí)測(cè)結(jié)果的比較,從表中可以看出,天線(xiàn)的仿真計(jì)算結(jié)果與實(shí)測(cè)結(jié)果吻合得較好.

表2 天線(xiàn)陣列仿真與實(shí)測(cè)結(jié)果比較

圖5 天線(xiàn)陣列實(shí)測(cè)歸一化方向圖曲線(xiàn)

圖6 天線(xiàn)實(shí)物圖

3 結(jié) 論

設(shè)計(jì)了一種低剖面開(kāi)槽天線(xiàn),該天線(xiàn)具有頻帶較寬、低剖面、增益高的特點(diǎn).在理論分析的基礎(chǔ)上，通過(guò)HFSS軟件的仿真、優(yōu)化設(shè)計(jì)，實(shí)測(cè)了一副四單元低剖面高增益陣列天線(xiàn).實(shí)測(cè)結(jié)果很好地印證了該天線(xiàn)的上述特點(diǎn).天線(xiàn)電壓駐波比VSWR<2的帶寬達(dá)到13%，且天線(xiàn)在工作頻段內(nèi)增益大于15 dB；其剖面高度僅約10 mm,很好地解決了實(shí)際工程中天線(xiàn)性能與平臺(tái)大小的矛盾問(wèn)題.

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