大曲率柱面共形天线的对比研究

2022-02-20周志鹏

通信电源技术 2022年23期

周志鹏，刘军

（沈阳理工大学，辽宁沈阳 110159）

0 引言

共形天线是可以与安装表面共形且不影响安装表面的气动外形的一类天线，广泛应用于各类飞行器表面[1-3]。微带天线具有低剖面的特点，具有共形的天然优势，是共形天线的首选，因此在共形场景下得到了广泛的应用[4]。而柱面是应用最多的共形曲面，因此对柱面共形天线的分析具有广泛的代表性。圆柱的曲率与其半径成反比，大曲率柱面即圆柱的半径较小。当圆柱的半径与微带天线的谐振波长相当时，可以忽略柱面曲率对天线的影响，而当柱面的曲率增大时，微带共形天线的谐振频率会随着曲率的增大而减小，而且会改变天线的输入阻抗，使其回波损耗增大[5,6]。同时，在实际加工过程中，介质基板有不易弯曲的特性，这也加大了大曲率微带共形天线的制作难度。柱面缝隙天线由平面开缝导体片天线演变而来，把平面导体片弯折成柱面后，就形成了柱面缝隙天线，因此其天然就与柱面共形。这种天线是由Andrew Alford提出的，与微带天线相比，其不需要大面积的介质基板，没有介质损耗，具有更高的辐射效率，更适合在大曲率表面做共形[7]。

本文通过对比微带共形天线与柱面缝隙天线对曲率的敏感度，仿真验证了曲率变化对微带共形天线的影响更大，而柱面共形天线更适合在大曲率柱面上共形。

1 微带共形天线

1.1 平面微带天线

为了对比大曲率下微带共形天线的效果，首先仿真了一个谐振频率950 MHz的平面微带天线，采用同轴线馈电，微带天线仿真模型如图1所示。其中介质基板采用了2 mm厚的FR4环氧树脂，其相对介电常数εr=4.4。

图1 微带天线仿真模型

通过仿真得到了天线的S11参数，如图2所示。图2（a）的S11值在950 MHz频点处小于-20 dB，达到了设计要求。而图2（b）是在不改变天线尺寸直接在半径为150 mm的柱面上直接做共形，直径D=300 mm与谐振波长相当。从图2中可以看出，共形后谐振点没有产生大的偏移，且阻抗匹配良好。当共形柱面半径较大时，对微带天线的影响可以忽略。在小曲率柱面下，共形效果良好。

图2 微带天线的S11参数

1.2 曲率对微带天线的影响

为了了解柱面曲率对的微带天线的影响，本节将增大柱面的曲率，即减小共形柱面的半径，而天线的尺寸及馈电方式都不改变。将柱面的半径从150 mm依次递减到130 mm和100 mm，得到曲率增大时的效果对比。这2个半径下的仿真结果如图3所示。由图3（a）可以看到，当柱面半径为130 mm时，天线的谐振频点出现了偏移，其谐振频点减小至930 MHz左右，而天线的阻抗没有发生明显的变化。当继续增大柱面曲率，即半径减小到100 mm，谐振频点继续向左偏移，减小到了770 MHz左右，并且在谐振频点的S11参数大于-5 dB，说明天线的阻抗已经发生了大的变化，从而导致阻抗失配，进而使天线的回波损耗增大。

图3 不同曲率下的S11参数

2 柱面缝隙天线

2.1 曲率对柱面缝隙天线的影响

因为柱面缝隙天线是由平面缝隙天线演化而来的，柱面缝隙天线演化如图4所示。因此，其基本辐射机理与平面缝隙天线是相同的，都是通过缝隙向外辐射电磁波。而对于平面缝隙天线的分析，可以由巴比涅原理等效成与其互补的对称阵子天线，可以大大简化分析过程。而对于柱面缝隙天线的精确分析可以借助圆柱坐标系下麦克斯韦方程，并带入相应的边界条件，即可求得其辐射场。为了直观地看出曲率对柱面缝隙天线的影响，对不同直径的柱面缝隙天线进行了对比仿真。

图4 柱面缝隙天线演化

其谐振频率仍然设为950 MHz，故其波长λ≈316 mm，首先仿真直径D=300 mm的柱面缝隙天线，然后在天线的缝隙尺寸不变的情况下，将柱面缝隙天线的直径依次降到D=250 mm、D=200 mm和D=150 mm。不同直径下柱面缝隙天线的 S11 参数如图5所示。可以看到随着柱面直径的不断减小，S11曲线变化的幅度很小，只是谐振频点随直径的减小出现了小幅度的左移，而天线的回波损耗几乎没有变化。这表明柱面缝隙天线特性阻抗对曲率变化的敏感度较低。而在仿真中，看到微带天线的特性阻抗随曲率的变化有较为明显的改变，导致阻抗失配。因此，相比微带共形天线，柱面缝隙天线更适合在较大曲率的柱面上共形，而且没有介质损耗，有更小的回波损耗。

图5 不同直径下柱面缝隙天线的S11参数

2.2 不同曲率对柱面缝隙天线的方向图的影响

虽然曲率的变化对天线的特性阻抗影响不大，但圆柱体的大小对电磁波在空间中的传播方向会有影响。因此，本节将对曲率对柱面缝隙天线的辐射方向图进行对比分析。首先假设开缝圆柱面的直径为D，馈源信号的波长为λ，为了更加直观地对比分析不同曲率对其辐射方向图的影响，针对不同曲率的开缝圆柱面分为3种情况进行对比分析，分别为D＞λ、D≈λ、D＜＜λ。使用电磁仿真软件HFSS进行仿真分析，得到不同曲率下的辐射方向图对比。

（1）当开缝圆柱面的曲率较小时，即D＞λ，中心频率设置为950 MHz，根据波长与频率的关系，λ≈31 cm。开缝圆柱面的直径设为50 cm。图6（a）为仿真得到的天线的XOY面方向图。由天线的XOY面方向图可以看出其主波束范围约在-150°～-30°，其中辐射缝隙的位置在φ=0°，可以看出其辐射方向主要分布在缝隙的正面，而背面由于柱面的遮挡影响，其增益较小。

（2）当开缝圆柱面的曲率半径与波长相当时，即D≈λ，波长λ仍为31 cm，而开缝圆柱面的直径设置为30 cm。图6（b）为D=30 cm时的E面方向图，可以看到在开缝的方位处，即φ=0°的方位上增益减小，同时旁瓣和后瓣的增益在增大，说明当柱面直径减小时，电磁波将可以绕射到圆柱面的侧面和后面。相比于图6（a），图6（b）的方向性在下降，全向性在增加。

（3）当开缝圆柱面的曲率较大时，即D＜＜λ，波长的值不变，仍为λ=31 cm。令D=0.125λ，即D=38.75 mm进行仿真，结果如如图6（c）所示。其XOY面方向图接近一个圆形，与图6（a）、图6（b）相比具有明显的全向特性。为更清楚表明这一特性，令柱面曲率更大，D=10 mm。如图6（d）所示，其XOY面方向图近乎一个完美的圆形。

图6 不同曲率下的方向图

以上的仿真结果表明，随着柱面曲率的不断增大，天线的辐射方向图在垂直于开缝方向上趋近于全向性。因此当对天线对辐射方向有要求时，可以通过调整柱面的曲率改变天线的辐射方向。

3 仿真结果分析

由仿真曲率对微带共形天线和柱面缝隙天线的影响，得到了微带天线的特性阻抗更容易受柱面曲率的影响。在曲率较大时，微带共形天线会产生阻抗失配，引起较大的回波损耗，而且会使谐振频点有较大的偏移，导致天线达不到设计要求。柱面缝隙天线在曲率增大时，天线的特性阻抗变化较小，在曲率较大时也保持了良好的阻抗匹配。随着曲率的增大，柱面缝隙天线在谐振频点处的S11值都小于-25 dB，而因曲率的变化而引起的频移也比较小。通过对比，柱面缝隙天线的特性阻抗对曲率变化的敏感度更低，更适合在大曲率柱面上做共形。同时，对柱面缝隙天线的方向性随曲率的变化进行了分析。随着曲率的增大，天线的定性性在减小，全向性在增加。在与辐射缝隙垂直的水平面上，其方向图随着曲率的增大，逐渐呈现一个圆形，表明随着曲率的增大，在水平面上具有全向辐射特性。