圆柱共形全向微带缝隙天线阵的设计

王玉峰，张明芳，徐俊梅

(中国电子科技集团公司第三十六研究所，浙江嘉兴314033)

0 引言

随着飞行器技术的发展，飞行器通信系统需要传输的数据量越来越大、速率要求越来越高，对其性能提出了更高的要求。在飞行器通信系统中，为了使接收天线不受飞行体运动轨迹和姿态的影响而出现信号收不到的现象，希望装在飞行体上的发射天线产生的辐射方向图在水平面为圆，垂直面为“8”［1］。对于有一定直径的圆柱体飞行器而言，单付天线装载在其侧身上很难实现水平面的全向波束覆盖，将全向天线安装于飞行器的头部是一种较好的解决方案，具有全向方向图覆盖的倒L天线由于其剖面特性在飞行器上得到较多的应用，但由于弹体本身的金属结构，会对垂直面方向图有所影响，同时受限于飞行器前端天线罩的空间［2］。共形天线由于与载体形状一致，天线本身作为飞行器表面的一部分，得到了人们广泛的关注［3］。虽然半波振子天线或单极子天线可实现全向的方向图，但很难实现共形设计。在共形天线的工程应用和研究中，微带天线因其剖面低、重量轻、易于与复杂载体共形而获得了大量的应用，将低剖面微带天线共形于载体外表面，形成了圆柱共形微带阵列，实现了水平面较好的全向覆盖;并成为圆柱状金属体上实现共形全向天线的典型设计［4－6］。本文采用八元微带缝隙天线单元，覆在圆柱形金属外表面上，构成圆柱共形的全向天线。对提出的天线进行仿真、优化，得到水平面全向、垂直面“8”字形方向图。

1 圆柱共形阵列基础

圆柱形共形阵是由单元天线沿圆柱体的表面组成阵列，最常见的圆柱共形阵是阵元在垂直放置的圆柱体的一个水平切面上，即为圆形阵列形式。通过多个圆形阵列在圆柱轴线方向上组阵可以实现三维的圆柱共形阵列。圆形阵列的远场坐标图及其本身圆形剖面内阵列远场坐标图如图1所示。

图1 圆形阵列坐标图

图1(a)中φ为远场辐射方位角、θ为俯仰角;(b)中R为阵列口径、Δφ为相邻单元间的角度差。圆形阵列在方位面的远场辐射方向图表达式［7］为:

式中，Vn为第n个单元的激励幅度，k=2 /λ为传播常数，EL(φ)是单元方向图。式中的相位以圆心为参考，相同阵列单元沿圆周以间隔RΔφ排列，每个单元均指向辐射方向，单元函数均是单元位置的函数，不存在公共的单元因子，所以不能像一般线性和平面阵列那样定义一个阵列因子，除非所有阵列单元为各向同性单元，至少水平面各向同性。

2 天线结构及设计

2.1 缝隙天线结构及原理

微带缝隙天线的基本结构与等效电路图如图2所示。

图2 缝隙天线基本结构及其等效电路图

如图2(a)所示，在长L、宽W、高h的金属地板上开一个长Ls、宽Ws的矩形辐射缝隙，采用微带线馈电，长Lf、宽Wf，介质基片介电常数εr。天线等效于如图2(b)所示的等效电路，输入阻抗由辐射电阻R和电抗X串联组成，当天线工作于其设计工作频率时，电抗X=0。若设计工作波长为λ0，则W通常在0.5 1λ0、L通常在12λ0，Ls=λg/2，其中为等效介电常数，其表达式为

2.2 单元天线及共形天线阵

本文天线由具有低剖面特性的缝隙天线单元组成，单元天线的平面结构图如图3所示。低剖面单元天线主要由辐射体、介质、馈线、金属底板组成，其中天线辐射体是一块刻蚀了H形缝隙的长L、宽W的金属镀层，H缝隙中心水平部分缝隙长Ld、宽Wd，两侧垂直部分缝隙长Ls、宽Ws;介质层位于辐射体下方，俯视尺寸与辐射体相同，厚度为t;馈线位于介质层下方，长Lf、宽Wf;金属底板位于整个结构的最下层，与介质层间距为h。

图3 低剖面天线单元平面结构图

图3中，天线通过位于印制板底层的微带线对H形缝隙进行激励，从而辐射一定频段内的电磁波。该单元天线形式适合应用于共形天线阵，主要表现在以下几点:

(1)单元天线具有低剖面特性，适合用来构成共形天线。窄缝天线的厚度一般为0.1λg左右，远小于带反射板偶极定向天线的0.25λg;

(2)单元天线在缝隙长度方向具有小尺寸，相比普通缝隙天线，在固定的载体尺寸上可以装载更多的单元，从而获得更好的水平面方向图全向性。对于缝隙天线，缝隙长度一般为0.5λg，采用H形缝隙相当于在直线缝隙的两端进行加载，减小缝隙的长度，实现小型化。

对提出的H形天线进行仿真设计并优化，得到设计尺寸为:L=50mm、W=55mm、Ls=32mm、Ws=1mm、Ld=48mm、Wd=1mm、Lf=44mm、Wf=1.5mm、t=0.5mm、h=9mm。

图3缝隙天线为单元组成的共形天线阵如图4所示。天线直径D=170mm，包裹在φ150mm的弹体表面，天线高度为L。将图4的8元天线通过8合1合路器合成一路输出。

图4 共形天线结构图

3 仿真结果及分析

对设计的圆柱共形微带缝隙天线进行了仿真优化设计，天线仿真电压驻波比如图5所示。天线在2.83 3.15GHz频段范围内具有良好的阻抗匹配特性，电压驻波比≤1.5，相对带宽为5.35%。

设计的天线增益为4.2dBi，考虑到天线的8个输出端口要通过电缆连接到8合一合路器上，电缆和合路器的插损预计在1.2dB以内，实际天线增益预计在3dBi左右。3GHz处天线仿真水平面和垂直面归一化方向图如图6所示。

由图6(a)可知，天线在水平面具有较好的全向特性，不圆度1.1dB;图6(b)中的垂直面方向图呈“8”字形，波束宽度50°左右。

图5 本文天线的电压驻波比

图6 仿真天线归一化方向图

4 结束语

本文设计了一种圆柱体表面共形的微带缝隙天线阵，根据确定的圆柱体直径，采用8元天线围绕圆柱表面一周从而组成水平面全向覆盖、垂直面“8”字形的方向图。设计的天线获得了5.35%的相对带宽，仿真增益达到4.2dBi，水平面不圆度≤1.5dB，垂直面波束宽度50°左右。该天线可用作弹载平台等具有圆柱表面的共形全向天线，并且可以应用多个阵列在垂直面上组阵来获得更高的增益。

［1］ 张福顺，焦永昌，马金平，等.弹体上S波段微带共形天线阵［J］.电波科学学报，1998，13(2):209－212.

［2］ 程喆.小型化锥面共形微带天线阵及弹载倒L天线的研究［D］.西安:西安电子科技大学，2010.

［3］ 朱永忠，许家栋.共形全向天线的研究进展［J］.苏州大学学报(自然科学版)，2011，27(4):34－39.

［4］ 尹应增，龚书喜，刘其中.一种圆柱共形的全向微带天线［J］.电波科学学报，1997，2(1):96－99.

［5］ 郑治泰，孙从武，张小苗，等.一种圆柱共形阵天线的仿真和设计［J］.空间电子技术，2007，4(2):53－56.

［6］ Yang Xue-Song，Qian Hao，Wang Bing-Zhong，et al.Radiation.Pattern Computation of Pyramidal Conformal Antenna Array with Active-Element Pattern Technique［J］.Antennas and Propagation Magazine，2011，53(1):28 － 37.

［7］ Lars Josefsson，Patrik persson.Conformal Array Antenna Theory and Design［M］.New Jersey:Wiley，2006:20 －23.

［8］ 李晓峰.平面缝隙天线的研究与设计［D］.兰州:兰州大学，2006.