小曲率柱面共形微带缝隙天线设计

姚凤薇

(上海电机学院，上海 201306)



小曲率柱面共形微带缝隙天线设计

姚凤薇

(上海电机学院，上海 201306)

研究了小曲率有限长度圆柱体上共形微带缝隙天线的阻抗特性和方向图，给出了柱面共形天线驻波曲线和方向图的仿真结果。实际制作和测试了柱面共形微带缝隙天线单元,仿真结果与实测结果比较吻合。研究表明当圆柱曲率半径较小时,方向图波束展宽,阻抗带宽减小。

共形；微带缝隙天线；带宽

0 引 言

微带天线由于具有造价低、重量轻、易于批量生产、便于与曲面共形等优点[1]，得到日益广泛的应用。现代天线设计要更多地考虑环境、设备等因素的影响[2]，如火箭和导弹等高速飞行器，由于严格的空气动力学限制，要求天线共形于其表面[3]；舰船上天线由于多变的海上天气因素，需要与载体共形保证牢固度等，因此共形微带天线作为微带天线的重要分支，一直是人们研究的热点。

共形微带天线具有其自身的特殊性，与平面微带天线有所不同。对于柱面共形微带天线，一般认为当圆柱半径大于一个波长时，可忽略圆柱曲率对微带天线的影响，采用平面模型[4]；而当微带天线所在圆柱体的半径比较小时，平面模型和实验性的方法已不再适用[5]，此时要较为准确地对共形微带天线进行分析，必须考虑到圆柱曲率对天线的影响。微带缝隙天线具有较宽的带宽，且带宽范围内方向图稳定。本文首先对有限接地导体平面微带缝隙天线进行仿真，在此基础上研究小曲率半径柱面上的微带缝隙天线。

1 平面微带缝隙天线设计

一般的缝隙天线带宽为10%左右，为了展宽带宽可以将缝隙宽度变大，然而随着缝隙宽度的逐渐增大，缝隙的辐射阻抗也会相应增加，这将直接导致缝隙与微带馈源的阻抗失配。因此，为了进一步展宽天线带宽，还需在原本开路的微带馈线末端添加匹配结构。这里采用在微带馈线上加载1条电阻为50 Ω的微带线，形成十字馈源结构。图1为平面缝隙天线的透视图，天线正面为矩形缝隙，背面为十字形馈源。

图1 平面缝隙宽带天线透视图

传统的双面附铜介质板不能弯曲，显然不能满足与口径D=130 mm柱体共形安装的要求。经过比较，选择聚四氟乙烯陶瓷介质基板，天线基片尺寸150 mm×120 mm,介电常数10.2,厚度1 mm。本文的研究基于用AnsoftHFSS10.0TM软件进行仿真,其分析基于有限元法。图2为天线中心频率E面和H面方向图，由图2可以看出，该平面缝隙天线为双向辐射，两波束宽度分别为68°和56°。

图3为平面缝隙天线的计算驻波曲线图，图中，f0=1.17 GHz,为天线中心频率;f+=1.68 GHz,f-=0.67 GHz,分别为驻波系数小于2时的最高频率点和最低频率点。由图3可以看出，天线具有宽带特性，计算得f+:f-=2.5∶1，即驻波系数小于2时，天线相对带宽为2.5倍频。

图2 平面天线计算方向图

图3 计算驻波系数

2 柱面共形微带缝隙天线设计

图4为采用上述天线结构的柱面共形天线示意图，柱面口径为130 mm，柱体高400 mm。利用50 Ω同轴线在圆柱体的边缘与微带馈线相连接,对微带缝隙天线馈电。由于缝隙天线为双向辐射，为了减少金属圆柱体内表面对天线的影响，在圆柱体内表面添加了厚度为2 mm的吸波材料。

图4 柱面共形微带宽带天线示意图

根据计算，共形后天线谐振频率变高，阻抗带宽变窄，驻波系数小于2的相对带宽f+:f-=2.3∶1。以上结果说明柱面对微带天线的谐振频率和阻抗带宽都有一定的影响。

图5 柱面共形天线计算方向图

图5为天线中心频率E面和H面方向图，2个面的3 dB波束宽度分别为116°和85°，与图2相比2个波束分别展宽了48°和29°。这主要是由于柱面口径远小于一个波长，天线面弯曲过大，表面电流发生弯曲,最后导致天线波束变宽。

3 柱面共形缝隙天线测试结果

实际加工制作了柱面共形缝隙微带天线单元,采用Ag8722ES矢量网络分析仪对天线的阻抗特性进行测量,与计算结果相一致，驻波系数小于2的相

对带宽f+∶f-=1.9∶1，天线具有较宽的带宽。图6为在微波暗室中测量的天线方向图。实验测试的中心轴为圆柱体的中心轴，由图6可以看出，由于在柱体内表面添加了吸波材料，共形天线波束规则，起伏较小，表现为良好的单向辐射特性。

图6 柱面共形天线测试方向图

据分析可知,驻波仿真结果与测量吻合良好，方向图仿真结果和实验有些差异但大致吻合，造成误差原因:小曲率共形微带天线的加工过程比较复杂,这是较难见到此类天线测量结果的原因；在暗室测量时,对共形微带天线测量面的校准存在一定的误差;而且在较低的频率,天线受环境的影响较大。

4 结束语

本文设计了一种小曲率柱面共形微带缝隙天线。天线共形后与相同平面天线相比带宽变窄，驻波系数小于2的相对带宽f+:f-=2.3∶1。由于柱体半径远小于1个波长，天线表面电流发生弯曲,波束变宽，测试结果与仿真计算结果一致。

[1] 钟顺时.微带天线理论与应用[M].西安:西安电子科技大学出版社,1991.

[2] 藤本共荣.移动天线系统手册[M].杨可忠,井淑华译.北京:人民邮电出版社,1997.

[3] ERTURK V B,ROBERTO R G.Efficient computation of surface fields excited on a dielectric-coated circular cylinder[J].IEEE Transactions on Antennas propagation,2004(8):1507-1516.

[4] HALL R C,WU D I.Modeling and design of circularly-polarized cylindrical wrap around microstrip antennas[C]//IEEE Antenna & Propagation Society International Sympposium,1996:672-675.

[5] CHEN J S,WONG K L.Theory and experiment of slot-coupled cylindrical rectangular and circular microstrip antennas[C]//IEEE Antenna & Propagation Society International Sympposium,1996:688-691.

Design of Conformal Microstrip Slot Antenna on A Cylinder with Small Curvature Radius

YAO Feng-wei

(Shanghai Dianji University,Shanghai 201306,China)

This paper studies the impedance characteristic and pattern of conformal microstrip slot antenna on a cylinder with small curvature radius and finite length,presents the simulation results of standing wave curve and radiation pattern of cylinder conformal antenna,makes and tests the cylinder conformal microstrip slot antenna unit.The simulation results correspond to the actual measurement data relatively.The research indicates that the beam of pattern will widen and impedance bandwidth will reduce when the cylinder curvature radius becomes small.

conformal;microstrip slot antenna;bandwidth

2016-01-21

国家自然基金资助项目，项目编号：61201116

TN823.24

A

CN32-1413(2016)04-0034-03

10.16426/j.cnki.jcdzdk.2016.04.008