一种C波段弹载共形微带天线阵列设计

徐亚伟，郝 汀，蒋智辰

(中国船舶重工集团公司第723研究所，扬州 225001)



一种C波段弹载共形微带天线阵列设计

徐亚伟，郝 汀，蒋智辰

(中国船舶重工集团公司第723研究所，扬州 225001)

提出了一种用于弹载设备的圆柱形天线阵设计，并进行了仿真，选用一种新型高增益微带天线作为天线阵元。该天线具有良好的驻波比和波束扫描能力，既可用于弹载设备，也可用于地面系统，不会因为共形设计导致天线增益恶化。

微带天线阵；共形天线；弹载天线

0 引 言

在航空航天领域，由于要考虑到空气动力学的问题，因此常常要求天线具有共形特性。而微带天线由于其造价低廉、体积小、易加工、易集成、易共形等优点，被广泛应用于航天、通信等行业。但微带天线也具有带宽较窄以及单个阵元增益低等缺点[1-4]。

为了克服微带天线的缺点，科研人员进行了很多研究，并取得了很大进展。拓宽微带天线频带的方法有很多，如增大介质层厚度、附加寄生贴片、天线加载等，但这些方法往往是以降低天线增益为代价的[5-7]。而为了提高天线增益，可以对微带天线进行组阵。本文首先提出了一种新型微带天线，为了提高天线增益，对其进行组阵设计，用HFSS软件对其进行了仿真。考虑到共形因素，本文仿真了与半径为80cm和40cm的弹体共形的天线阵方向图。仿真结果表明，天线阵具有良好的驻波比，增益高且不会因为共形设计导致天线增益恶化。

1 天线阵元设计

微带天线阵元示意图如图1所示。天线阵元为正方形贴片，因此谐振长度为：

(1)

式中：εr=2.2，为天线的介电常数；fr为天线的谐振频率。

基片尺寸W=L=50mm，基片高h=3mm；方形贴片尺寸a=b=20mm。为与50Ω谐振电阻匹配，由公式：

(2)

可以算出馈电点在贴片的对角线上距离边线7.5mm处。为了提高天线增益，在高于贴片四周加载3个高1mm的方形环金属片。若是增加四周基片的厚度，可以扩展天线频带宽度，但同时也增加了表面波。金属环片周期性的分布可以极大地抑制表面波，从而使天线向空间辐射的电磁波增多，进一步改善天线增益。方形金属环厚度m=1.5mm，尺寸分别为d1=28mm，d2=36mm，d3=44mm；环间间距相等，均为s=2.5mm。详细参数设计见参考文献[8]。

图1 天线阵元模型示意图

使用Ansoft公司的HFSS软件对天线单元进行仿真，得到的单元天线S11仿真曲线如图2所示。从图2可以看到天线单元的谐振频率为4.3GHz，而S11<-10dB对应的范围为4.25～4.45GHz。图3为天线单元仿真的天线增益方向图，可以看到天线单元的最大增益为7.55dB，3dB波束宽度为86°。

图2 仿真天线单元S11曲线

图3 天线单元方向图仿真

2 天线阵设计及仿真

将上述微带天线单元以线阵形式排列，组成七单元的微带天线阵，示意图见图4。使用HFSS软件仿真了7个微带天线单元在同一平面时的天线方向图，其性能如图5所示。可以看到七单元平面微带天线阵的最大增益在法线方向，增益为13.91dB，比单个天线单元提高了6dB，第一副瓣幅度为11dB，且3dB波束宽度只有6°。

图4 七单元微带天线阵

图5 平面天线阵方向图仿真

由于航空航天领域的载体主要为柱体，因此仿真了微带天线阵与半径分别为80cm和40cm的圆柱形弹体共形时的天线方向图，其性能如图6(a)和图6(b)所示。从图中可以看到，在弹体半径为80cm时，天线最大增益为13.61dB，波束宽带为6.5°，第一副瓣幅度为10.3dB；在弹体半径为40cm时，天线最大增益方向变为±22.5°，最大增益为10.9dB。

图6 共形天线阵方向图

表1为平面线阵与2个共形天线阵的仿真结果比较，从表中可以看到，随着共形载体的半径变小，天线阵的最大增益会随之变小，并且最大增益方向会发生变化。但在共形载体半径为80cm时，天线阵的最大增益并没有明显下降，且最大增益方向并没有改变。说明在一定范围内，将天线阵与载体共形是可行的。

3 结束语

本文设计并仿真了一种新型微带天线的平面线阵及与弹体共形后的天线阵列，并对其进行了分析。从天线阵的仿真结果来看，对该微带天线进行组阵设计可以有效地提高天线增益，并且在与弹体共形后并不会造成天线增益的明显下降，证明本文论述的设计方法具有一定的实用价值，既可用于弹载设备，也可应用于地面系统。

[1] 商远波，于晓乐，张福顺，焦永昌，吴蕴轩.C波段高增益圆极化微带天线阵的研制[J].微波学报，2006(6):69-72.

[2]LAIHW，LIPKM.Widebandsmallpatchantenna[J].ElectronicsLetters，2003，39(8)：641-642．

[3] 王菲，李方.一种C波段机载共形导航天线[J].现代导航，2013(2):120-124.

[4]PORATHR.Theoryofminiaturizedshorting-postmicrostripantennas[J].IEEETransactionsonAntennasPropagation，2000,48(1)：41-47.

[5]KARAHANM，AKSOYE，DEMETS,SAHINKAYAA.DesignofwidebandconformalantennaarrayatX-bandforsatelliteapplications[C]//IEEE，AntennasandPropagationSocietyInternationalSymposium.VancouverBritishColumbia,Canada,2015：397-400.

[6] 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.

[7] 孟一波.X波段宽带微带天线阵设计与分析[D].南京：南京理工大学，2006.

[8] 梁斌，杨娜.一种新型高增益微带天线[J].数字通信，2009(10):62-64.

DesignofAMissile-borneConformalMicrostripAntennaArrayatCBand

XUYa-wei,HAOTing,JIANGZhi-chen

(The723InstituteofCSIC,Yangzhou225001,China)

Thispaperproposesacolumniformantennaarraydesignformissile-borneequipment,andperformsthesimulation,usesanewhigh-gainmicrostripantennaastheantennaelement.Theantennaisofgoodstanding-waveratio(SWR)andbeamscanningcapability,notonlycanbeappliedtomissile-borneequipments,butalsocanbeusedforgroundsystems.Theconformaldesignwillnotmaketheantennagaindeteriorate.

microstripantennaarray;conformalantenna;missle-borneantenna

2016-06-24

TN

A

CN32-1413(2016)05-0067-03

10.16426/j.cnki.jcdzdk.2016.05.017