X波段全向共形机载天线的仿真与设计﹡

韩振平，钱祖平，2，倪为民 ，刘宗全

（1. 解放军理工大学通信工程学院，江苏 南京 210007;2. 东南大学毫米波国家重点实验室，江苏 南京 210096）

伴随着雷达、电子战和通信系统的飞速发展，为扩大机载雷达自身的作战能力范围，机载天线除了要求实现宽带工作外，还要实现宽波束扫描。要求天线在方位面全向辐射，在俯仰面具有一定的波束扫描范围。这对天线的设计提出了较高的要求。共形天线由于与载体共形设计，具有良好的电气性能、电磁兼容性好、不易受电磁环境的干扰、较小的雷达散射截面，这些优点使其在航空、制导、雷达等领域得到了广泛的应用。对于机载共形天线，主要关心天线波束对空间的覆盖，一般不要求很高的增益，所要的波束范围内达到0dB或-2dB即可，一般要求其方向图在方位面全向，在俯仰面具有一定的波束宽度。

共形天线的载体常用的有圆柱体[1]、圆锥体[2]和球体[3]等多种形状。考虑到实际情况，机体可近似为柱体。常见的共形天线单元有阵子天线、微带天线、缝隙天线和螺旋天线。其中缝隙天线和螺旋天线共形设计以及加工比较复杂。研究表明，螺旋天线[4]、正旋天线[5]以及椭圆形[6-7],半椭圆形[8]的单极子天线具有不同程度的宽带宽波束特性。考虑到天线性能需要满足带宽和波束宽度要求，本文设计的柱面共形天线工作于X频段，该天线由矩形平面单极天线[9]与柱体共形，通过共面波导方式对其进行馈电。利用HFSS进行仿真设计，对比了平面天线与共形天线的阻抗特性和辐射特性，为下一步共形阵列的研究打下了良好的基础。

1 平面天线结构设计与仿真

平面单极天线结构如图1所示。选用F4B-2材料的基板，其介电常数为2.55，介质板较薄时天线易于共形，基板厚度h为 0.2mm，介质损耗为0.001，面积为60mm×50mm。介质材料厚度较薄，采用微带馈电时不易获得 50Ω的输入阻抗，因此采用共面波导（CPW）馈电形式。共面波导相对于微带线，具有辐射损耗小、色散低、易与其他元器件实现串并连接，提高电路集成度等优点。为获得 50Ω的特性阻抗，共面波导导带宽度W1=3.6mm，缝隙的宽度g=0.2mm。

使用HFSS 12.0经过优化设计，平面天线的主要结构参数大小如表1所示。

图1 平面天线结构示意图

表1 平面单极天线的参数值（单位：mm）

图2显示了平面单极天线的反射系数曲线。由图2可看出，回波损耗 S11≤-10dB的阻抗带宽覆盖了7.3～12.5GHz，出现了两个谐振点，分别为f=8GHz，f=10.1GHz。设计的平面单极天线满足工作于X波段的要求。

图2 平面单极天线的S11仿真曲线

在谐振点f=8GHz、f=10.1GHz，以及高频f=12GHz处的E面和H面，方向图如图3所示。由图3可见，平面单极天线的辐射方向图关于主轴z轴几乎是对称的，且E面近似为“8”字，H面近似全向辐射。f=8GHz时，E面最大增益为1.5dB，3dB波束宽度约为120°，H面最大增益为2.3dB，3dB波束宽度约为140°，最大辐射方向偏离主轴30度。f=10.1GHz时，E面最大增益为2.4dB，H面最大增益为0.5dB，最大辐射方向偏离主轴30度。f=12GHz时，E面最大增益为3.5dB，H面最大增益为1.7dB，最大辐射方向偏离主轴40度。在整个工作频段内，辐射稳定，满足机载天线全向辐射的要求。

图3 平面单极天线方向图仿真结果

2 共形天线仿真分析

如图4所示为平面单元共形后的结构图。为增加天线的实用性，选取圆柱作为共形载体，长度L=80mm,半径R=25mm，柱形载体的介电常数εr=1.03的泡沫材料。

图4 柱面共形天线结构示意图

图5显示了柱面共形天线的反射系数曲线。仿真的S11≤-10dB的阻抗带宽覆盖X波段，S11在工作频段内下陷深度增大。与图2中平面单极天线的回波损耗曲线相比，在低频端的带宽有所提高。原因主要是共形结构的引入以及载体介电常数的影响。由图5可看出，出现了两个谐振点，分别为f=8.7GHzf=12GHz，与平面单极天线相比谐振点向右偏移。共形后的天线满足工作于X波段的要求。

图5 柱面共形天线的回波损耗仿真曲线

频率点8GHz、10.1GHz和12GHz的E面和H面方向图如图6所示。由图6可见，与平面天线辐射方向图相比，共形后的天线方向图波动较大，E面方向图出现了旁瓣，最大辐射方向偏离z轴一定角度，增益值明显降低，H面的全向特性在高频时恶化。f=8GHz时，E面最大增益为4.8dB，H面最大增益为4dB，最大辐射方向偏离主轴30度。f=10.1GHz时，E面最大增益为2.1dB，H面最大增益为0.8dB，最大辐射方向偏离主轴45度。f=12GHz时，E面最大增益为2.3dB， H面最大增益为1.7dB，最大辐射方向偏离主轴20度。在整个工作频段内，辐射较稳定。与平面天线相比，增益值有所提高，波束宽度增大，辐射特性较好满足机载天线全向辐射的要求。

图6 柱面共形天线方向图的仿真结果

3 测试结果

依照仿真结果，实际加工制作的平面天线与柱面共形天线如图 7所示。柱体为泡沫材料，载体半径R=25mm，高度H=120mm。由矢量网络分析仪测得的S11曲线如图8所示。谐振点与仿真结果对比向右偏移，主要是由于在微波暗室测量时，共形天线测量面的校准存在一定的误差，此外还有受到环境的影响以及天线在加工过程中产生的误差。测试谐振点的增益方向图如图9所示。与仿真结果吻合较好，由于高频时的波瓣恶化严重，可用频段覆盖7.0～12.5GHz。

图7 加工制作的平面天线(a)与柱面共形天线(b)

图8 实测平面天线和共形天线的S11曲线

图9 实测共形天线的增益方向图（a）f=8.75GHz (b)f=10.1GHz

4 结束语

本文设计仿真了一种工作于 X频段的柱面共形天线。首先设计了平面单极天线，通过共面波导方式对其进行馈电。利用HFSS对平面天线和共形天线进行仿真设计，对比平面天线与共形天线的阻抗特性和辐射特性，仿真结果表明共形后的天线带宽变大，增益提高，波束宽度展宽。在X波段内实现了低仰角扫描和方位面的全向扫描，阻抗带宽为7.0～12.5GHz，最大增益可达4dB，辐射特性稳定，满足机载天线的性能指标。适合用做机载天线的共形单元，为下一步的阵列研究打下了良好的基础。

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