一种宽频带共形天线的特性研究

钱祖平 韩振平 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）

引 言

共形天线以其结构容易与载体共形而节省空间这一突出的优点在军事和民用上具有广泛的应用空间。对宽频带共形天线的研究具有重要的意义，并已经成为天线领域的研究热点。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，共形天线的特性与平面结构的情况相比会发生很大的变化，而且共形载体的尺寸，材料属性都会影响天线的工作性能。因此共形载体的选取在宽频带天线设计中至关重要，已有学者研究了载体特性的变化对于窄带共形天线性能的影响［4］，但对于宽带共形天线的研究较少。

研究证明:螺旋天线［5］、正旋天线［6］以及椭圆形［7-8］，半椭圆形［9］以及矩形［10］单极子天线具有不同程度的宽频带特性，可以与球面或柱面共形，以获得宽频带共形天线。在文献［10］的基础上，首先设计了一个具有宽频带特性的平面单极天线，将其作为辐射单元与柱体共形。通过改变柱体曲率半径、长度和介电常数等参数的大小，详细分析其参数变化对于共形天线性能的影响。实际加工制作的天线，具有宽频带特性，在工作频段内具有较好的辐射特性，增益稳定。

1.共面波导馈电分析

平面天线为一矩形单极子天线，结构如图1所示。介质板较薄时天线易于共形，但介质材料厚度较薄，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。共面波导内导带终端开路，作为馈源对缝隙进行激励。天线的缝隙结构等效于一个匹配网络，通过调节导带的长度L3，导带与地板的窄缝隙g，地板与辐射单元之间的缝隙宽度g1，可以达到良好的阻抗匹配。

共面波导的特性阻抗由介质基片的厚度h，相对介电常数εr，馈电导带的宽度w，导带与金属地板之间的缝隙间隔g等参数共同决定。计算公式如下［11］

式中:εeff为共面波导介质的相对有效介电常数，表示为

为实现50Ω阻抗匹配，经计算导带宽度w为3.2mm.基板选择的是相对介电常数εr为2.55的F4B-2型介质板，厚度h为0.2mm，介质损耗为0.001.基于设计的要求，天线的初始参数如表1所示，基板尺寸为40mm×40mm.

图1 平面单极天线结构示意图

表1 天线的初始参数值（单位:mm）

2.共形天线性能及其参数分析

为增加天线的实用性，选取圆柱作为共形载体，高度H=50mm，半径R=40mm，如图2所示。

图2 柱面共形天线结构示意图

图3显示了平面天线与柱体共形之后的反射系数变化曲线，由图可看出:平面天线反射系数S11≤-10dB的阻抗带宽覆盖了2～20GHz，且最高频率处没有出现截止现象。与圆柱体共形之后反射系数S11的性能变差，馈线上的电流变化幅度增大。主要是由于在圆柱共形情况下，平面天线结构与馈线均发生弯曲，天线的输入阻抗发生了变化，天线与馈线的特性阻抗不再匹配所致。从图3中可以看出:共形后的天线阻抗带宽与平面情况相比变窄，为了改善共形天线的阻抗匹配以及带宽特性，对圆柱载体的半径R、介电常数εr以及高度H进行调节，研究柱体参数对天线特性的影响。

图3 平面天线及其共形后的S11变化曲线

2.1 柱体半径R对天线性能的影响

柱形载体的介电常数εr=1.03。图4显示了柱体半径R变化时反射系数S11的变化曲线，由图中可以看出:R的变化引起天线各个谐振点的偏移，造成阻抗匹配情况的变化，阻抗带宽也发生改变。R值越小，共形天线的反射系数曲线与平面越来越接近。对于给定的平面天线结构，柱体半径R值取得越小，天线的阻抗匹配情况越好，共形天线越接近于平面结构，其驻波性能也越接近于平面性能。

图4 天线S11随R变化的特性曲线

图5显示了天线的XZ面和YZ面辐射方向图随R的变化特性，选取工作频率为10GHz.由图可知:共形天线具有后向辐射，柱体的半径R的改变引起天线辐射强度的变化，半径R值减小时后向辐射加强，最大增益值变大。增益的变化情况与反射系数S11的变化情况相吻合，柱体半径R值越小，天线的反射系数性能越好，增益也相对较高。

2.2 柱体εr值对天线性能的影响

前面分析R的变化对天线性能的影响，选取的柱体介电常数εr=1.03.在实际应用中，大多数的共形载体采用的介电常数为2.1～3.0，因此，研究柱体不同的εr值对天线性能的影响，工作频率为10 GHz.

图6显示了不同的εr值对天线阻抗特性S11的影响。由图可知，当εr变大时，天线的谐振频率点增多，下陷程度减小，天线的匹配变差，造成整个带宽的减小。结果表明:载体的介电常数对天线的阻抗特性影响较大，设计宽带共形天线时，应选择合适的共面载体以实现天线的性能。

图7显示了εr值的变化对于天线辐射特性的影响。由图可知，介电常数εr的变化对方向图的影响很明显。当εr变大时，天线的辐射特性显著加强，辐射增益变大。当εr=2.08时，XZ面的定向性增强，YZ面的全向辐射得到改善。当εr=3.0时，XZ面趋于全向辐射，而YZ面波动较大，造成一些角度辐射变差。

2.3 柱体高度H对天线性能的影响

研究柱体高度H对天线性能的影响。有关文献［4］证明柱体长短对窄带共形天线的输入阻抗影响较小，柱体越短，方向图起伏越大。

如图8所示天线S11随H的变化特性。由图可见在2～6GHz低频段和18～20GHz高频段，S11的变化较大，H=75mm时.高频处产生失配现象，对带宽产生一定影响。

如图9所示，天线的辐射特性随H的改变发生波动，当H=50mm时，天线的辐射增益相对较大，定向性增强。随着H的增大，XZ面和YZ面的定向辐射减弱，天线两侧的辐射加强，Z轴方向辐射强度减弱。

3.实测结果分析

按照仿真结果，实际加工制作了一个柱面共形天线，如图10所示。柱体为泡沫材料，其介电常数为1.03，柱体半径R=20mm，高度H=75mm.测试工作在微波暗室完成，由矢量网络分析仪测得的反射系数S11曲线如图11所示。谐振点的位置位于3.5GHz、11.4GHz和17.5GHz，与仿真结果相比谐振点发生一定的偏移，反射系数S11曲线深度加深，整个频段内的变化趋势和阻抗带宽与仿真结果一致。利用实验室的标准喇叭天线测试了天线谐振点3.5GHz、11.4GHz处的辐射方向图，利用比较法计算出天线的实际增益大小，描绘出的增益方向图如图12所示。由于加工和焊接精度的误差造成天线损耗的增大，以及周围环境的影响，实测结果与仿真结果相比，实测的辐射方向图辐射强度较小，最大增益低于仿真结果。由于高频时的波瓣恶化较大，可用频段覆盖2～16GHz.

图12 实测方向图与仿真结果对比

4.结 论

对于宽频带共形天线，柱体半径R的变化会引起天线高频端谐振点的偏移，造成阻抗匹配情况的改变，但对总体的带宽影响不大，选取较小的半径R，可改善天线的辐射特性。柱体介电常数对天线性能影响较大，当εr变大时，天线的谐振频率点增多，下陷程度减小，天线的匹配变差，造成整个带宽的减小，但天线的辐射特性加强，辐射增益变大。柱体高度H较小时，天线的辐射增益相对较大，定向性增强。随着H的增大，XZ面和YZ面的定向辐射减弱，天线两侧的辐射加强，Z轴方向辐射强度减弱。因此，在设计宽频带共形天线时，共形载体的选取对天线的性能至关重要，以上结论可对载体的选取提供了可靠依据。

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