弯曲度对共形天线及其阵列性能的影响

窦海鹏

(山西大学商务学院 信息学院， 山西 太原 030031)

弯曲度对共形天线及其阵列性能的影响

窦海鹏

(山西大学商务学院 信息学院， 山西 太原 030031)

针对平面矩形微带天线及其阵列共形于载体上的实际需求， 分析了共形弯曲度对天线性能的影响. 通过HFSS软件仿真， 将2.4 GHz频段天线及由其组成的天线阵列共形于圆柱形载体上， 贴片的弯曲会影响天线的工作带宽、 增益和半波功率波束宽度. 仿真结果表明， 当与该天线共形的圆柱载体半径大于40 mm (天线贴片弯曲度小于50°)、 与天线阵列共形的圆柱载体半径大于70 mm时， 可以满足目前无线通信系统的工作需求.

共形微带天线； 阵列天线； 弯曲度； 辐射特性

0 引 言

随着无线通信技术的发展， 要求微带天线能够共形于载体上[1-6]， 实现设备结构的一体化， 以满足可穿戴设备、 飞行器等对天线的需要[7-12]. 而载体的弯曲度对天线及其阵列性能的影响， 已成为现阶段研究的热点. 文献[13]将超宽带天线共形于飞航导弹上， 在不影响导弹气动特性的同时， 研究了弹载天线的增益、 电压驻波比等性能； 文献[14]分析了共形蝶形天线表面涂覆不同吸波材料对其辐射性能的影响； 文献[15]虽然研究了圆柱载体曲率半径对共形蝶形微带天线的阻抗特性和辐射特性的影响， 但并未涉及对天线阵列性能的影响.

本文首先分析了一种常见的平面矩形微带天线的性能， 该天线工作在2.4 GHz频段有良好的辐射特性. 然后将该平面天线及其组成的4单元天线阵列共形于圆柱形载体上， 分析对比了当圆柱半径变化时， 天线及其阵列的弯曲度对其性能的影响.

1 平面微带贴片天线

本文要研究的平面矩形微带天线结构如图 1 所示.

图 1 平面矩形微带天线结构Fig.1 Structure of the planar rectangular antenna

该天线采用微带线馈电， 贴片的长度为l， 宽度为w. 为了减小天线的尺寸， 馈电用的微带线嵌入矩形贴片内部， 嵌入深度为l1， 微带线长为l2， 宽为w1. 选取的介质材料厚度为h， 相对介电常数为εr. 在实际应用中， 为了使天线的发射功率损耗降到最低， 一般要求天线的输入阻抗与天线的馈线有较好的匹配， 因此本文利用电磁仿真软件HFSS仿真优化， 最终确定天线结构参数如表 1 所示.

表 1 天线结构参数

图 2 为参数l1的变化对天线反射系数(S11)的影响. 由图 2 可知， 随着l1的增加， 天线的谐振频率减小， 因此， 可以通过改变l1来控制该天线的谐振频率. 为了使天线工作在无线局域网 (WLAN) 2.45 GHz频段， 最终确定l1=11.5 mm， 此时天线的-10 dB带宽为2.439～2.463 GHz. 天线在2.45 GHz的主极化辐射方向如图 3 所示， 从图 3 可以看出，x-z面的半波功率波数宽度(HPBW)为70°， 而y-z面拥有更宽的HPBW， 为80°.

图 2 参数l1变化对天线S11的影响Fig.2 Simulated S11 of planar antenna for different l1

2 共形弯曲度对天线性能的影响

为了分析天线弯曲度对天线性能的影响， 将上文中提到的平面微带天线共形于半径变化的圆柱形载体上， 圆柱体半径为r， 其结构如图 4 所示.

矩形贴片两侧边缘与圆柱中心形成的夹角度数称为弯曲度， 由图 4 可知，r越大， 贴片弯曲度越小. 此外， 贴片尺寸、 介质材料厚度及馈电方式都保持不变. 图 5 为共形弯曲度对天线的S11的影响， 由图可知， 随着半径的减小， 即弯曲度的增大， 天线的反射特性逐渐变差， 且带宽变窄， 中心频率减小. 当天线弯曲到很大弧度时， 如100°(r=20 mm)， 此时整个工作频带上的S11已经大于-10 dB. 这是因为天线弯曲后， 矩形贴片表面的阻抗反生变化， 造成阻抗失配.

图 5 共形弯曲度对天线的S11的影响Fig.5 Simulated S11 of the conformal antenna for different r

图 6 为r变化时， 天线在2.45 GHz的主极化方向图. 在x-z面上， 天线的弯曲度越大， 增益越小， 但是HPBW越宽. 相反， 在y-z面上， 随着天线弯曲度的增加， 增益逐渐增大.这是因为天线弯曲后， 其横向(即x-z面)的辐射功率向四周扩散， 该面上的最大增益逐渐减小； 而天线纵向长度(即y-z面)并没有随着天线弯曲而改变. 相对的， 贴片弯曲后， 其他部位的辐射叠加到y-z面， 使得能量逐渐集中， 所以在该平面正上方即θ=0° 的增益逐渐增大. 另外， 在仿真时， 由于贴片与圆柱共形后， 馈电端口偏离了原来定义的z轴方向， 导致x-z面的辐射主瓣偏离了0°.

天线最大增益随圆柱载体半径、 贴片弯曲度的变化情况如表 2 所示. 从表 2 可以看出， 随着贴片弯曲度的增加， 天线的最大增益逐渐减小. 当圆柱半径为10 mm， 即贴片弯曲度为200°时， 天线增益达到最小， 为3.95 dBi. 这是因为随着天线的弯曲， 天线的辐射范围更广， 空间的功率分布变宽， 而某一点上集中的功率变小了. 综上所述， 共形弯曲度对天线特性有较大的影响， 随着天线弯曲度的逐渐增大， 天线的工作带宽变窄， 中心频率减小， 反射特性变差， 增益减小， 而HPBW变大. 为了使天线在工作频段内实现S11<-10 dB， 要求与之共形的载体半径不能小于40 mm(见图 5)， 贴片的弯曲度不能大于50°.

图 6 共形弯曲度对天线主极化方向图的影响Fig.6 Simulated Co-polarization radiation pattern for different r

表 2 天线弯曲度及最大增益

3 共形弯曲度对天线阵列性能的影响

首先， 利用上文中提出的矩形微带天线组成一个4单元的天线阵列， 结构如图7 (a)所示， 其中， 天线单元之间间距d为18.6 mm. 采用并联的馈电方式， 利用功率分配网络连接矩形贴片和馈电端口， 实现功率平均分配， 确保每个辐射单元的馈电均等幅同相， 功率分配网络的宽度w2为3.4 mm，w3为2 mm. 然后将该4单元天线阵列共形到圆柱形载体上， 圆柱半径为r1， 其结构如图7(b), (c)和(d)所示.

图 7 共形4单元微带天线阵列Fig.7 Structure of 4 elements conformal antenna array

图 8 为共形弯曲度对该4单元天线阵列的S11的影响. 从图8可以看出， 当天线没有弯曲时， 其-10 dB带宽为2.379～2.418 GHz， 谐振频率为2.4 GHz， 此时S11最小， 达到-36 dB. 随着r1的减小， 即弯曲度的增加， 天线的反射特性变差， 当r1=35 mm时， 该天线阵列的谐振频率出现在2.34 GHz 和2.60 GHz处， 形成了双频带， 且S11均大于-10 dB. 这是因为圆柱半径很小时， 4个贴片单元共形后分布在圆柱四周， 相对的贴片之间形成新的电容， 改变了贴片原有的电流分布， 引起阻抗失配.

图 8 共形弯曲度对天线阵列的S11的影响Fig.8 Simulated S11 of conformal antenna array for different r1

图 9 为共形弯曲度对天线阵列在2.4 GHz的主极化方向图的影响. 当天线阵列没有共形时， 其x-z面和y-z面的主瓣最大辐射方向都在0°， 增益达到最大， 但是HPBW最窄， 其x-z面的HPBW为28°. 随着圆柱半径r1的减小， 天线阵列的HPBW变宽， 最大增益减小. 当r1=35 mm时， 由于4个贴片单元几乎均匀分布在圆柱四周， 其x-z面的辐射特性呈现为全向性， 而y-z面的辐射满足“8”字形.

表 3 为圆柱载体半径变化时天线阵列的最大增益. 可以看出， 没有弯曲的平面天线阵列增益达到11.7 dBi， 而严重的弯曲会导致增益的急剧下降. 当圆柱半径为35 mm时， 天线增益降至2.9 dBi. 综上所述， 为了使天线在工作频段内实现S11<-10 dB(见图 8)， 同时有较高的增益(见表3)， 应保证与之共形的圆柱载体半径大于70 mm. 相反， 若想使天线阵列具有全向的辐射特性， 可以将天线阵列单元均匀的分布在圆柱载体表面， 但同时需要重新调整天线参数来获取更高的增益.

表 3 天线阵列最大增益

图 9 共形弯曲度对天线阵列主极化方向图的影响Fig.9 Simulated Co-polarization radiation pattern for different r1

4 结 论

本文首先仿真了平面上的矩形贴片微带天线， 该天线在2.439～2.463 GHz频带范围内S11<-10 dB， 满足目前无线通信系统的工作需求. 然后将该平面天线及其组成的4单元天线阵列共形到圆柱形载体上， 分析对比了天线及其阵列的弯曲度对其性能的影响. 仿真结果表明， 随着天线弯曲度逐渐增大， 天线的工作带宽变窄、 中心频率减小、 增益减小， 而HPBW变大. 共形圆柱载体半径大于40 mm(贴片弈曲度小于50°)时， 微带天线可以正常使用. 而对于天线阵列， 则要求共形圆柱载体半径大于70 mm. 所以为了使天线在共形时能正常工作， 一方面需要考虑贴片弯曲不能过大； 另一方面， 如果较大程度的弯曲不可避免， 应重新调整天线的参数， 使其符合设计要求.

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Influence of Curvature on the Properties of Conformal Antenna and Antenna Array

DOU Hai-peng

(Information Faculty, Business College of Shanxi University, Taiyuan 030031, China)

The influence of the conformal curvature on properties of the flat rectangular microstrip antenna and antenna array in 2.4 GHz range was presented in this paper. Using the electromagnetic simulation software HFSS, when the antenna or antenna array was attached to the surface of a cylindrical carrier, its working bandwidth, gain and half wave power beam width will be influenced by the curvature of the antenna paster. Simulation results show that the conformal antenna with cylindrical carrier’s radius more than 40 mm (the curvature less than 50°), or conformal antenna array with radius more than 70 mm, cansatisfy the requirement of wireless communication system.

conformal microstrip antenna; antenna array; curvature; radiation characteristic

2016-09-17

山西省科技厅基础研究资助项目(2014011018-1)； 山西大学商务学院资助项目(SYJ201503)

窦海鹏(1981-)， 男， 讲师， 硕士， 主要从事信号处理的研究.

1673-3193(2017)02-0186-05

TN821

A

10.3969/j.issn.1673-3193.2017.02.016