新型低剖面开槽天线阵列研究

张 敏 赵 旭 王一笑 王伟光 杨颖怡

( 中国航天科工集团8511研究所，江苏 南京 210007 )

引 言

目前，通信、雷达系统平台越来越小，而通信、雷达侦察系统的不断发展，对于天线的性能要求越来越高，这与基本的物理规律自相冲突和矛盾，给天线的设计带来极大的困难.因此，大多的系统平台都对天线提出了小型化、低剖面、高增益的要求[1-2].

本文就以上问题，结合实际应用背景，提出了一种低剖面开槽天线，并以此天线为基础，构成低剖面阵列天线的方案，很好地解决了工程实际应用难题.

低剖面开槽天线是一种印刷天线[3]，该天线具有频带宽、增益高、结构紧凑和小型轻便等优点[4-5].在辐射贴片上开U形缝隙，可引起贴片表面电流的变化，等效为引入阻抗匹配元件，从而改变辐射贴片的谐振特性，通过谐振电路之间的耦合作用进而达到展宽频带的目的.

本文中天线单元的初始尺寸可由下式给出仿真初值[6-7]

(1)

式中：w为贴片长度；L为贴片宽度；c为光速；εr为介质板介电常数；εe为等效介电常数；fr为谐振频率；h为介质板厚度,在较低频段工作时,从减小天线重量及安装面积和降低成本着眼, 地板尺寸WG和LG应尽可能小,考虑背馈情况有

(2)

因此，其理论基础与微带天线具有相似性.

(a) 天线单元三维结构图

(b) 天线单元侧视图

(c) 天线单元俯视图图1 天线单元结构图

1 单元天线结构设计及仿真

1.1 单元天线结构设计

图1为天线结构示意图,其中图(a)为天线的三维坐标图,图(b)为天线总体侧视图，图(c)为天线总体俯视图.从图中可以看出, 在天线单元上层辐射贴片馈电点附近开了一个U形缝隙，通过调整U形缝隙的位置、长度和宽度，最终实现阻抗匹配达到展宽天线带宽的目的.

1.2 单元天线的仿真

为减小介质板对微带天线性能的影响，选取ε=2.2，h=1 mm的介质基板,介质板与地板中间为空气层, 此举可降低等效谐振电路Q值,从而进一步展宽印刷天线带宽.天线底层为地板,天线采用50 Ω的同轴线进行馈电，这种馈电方式稳定，后向辐射小，有效抑制了后瓣的产生.天线各尺寸参数如表1所示.

表1 天线参数尺寸

通过三维仿真软件(High Frequency Structure Simulator ,HFSS)对天线单元进行仿真得到的计算结果如图2所示.其中图(a)为单元天线的仿真驻波曲线,从图中可以知道，天线单元在1.45 ～1.85 GHz频段范围内电压驻波比(Voltage Standing Wave Ratio,VSWR)小于2，三个不同频点的E面和H面仿真方向图如图(b)和(c)所示,天线单元在1.7 GHz时的最大增益为9.3 dB.

(a) 天线单元仿真驻波曲线

(b) 天线单元仿真E面方向图

(c) 天线单元仿真H面方向图图2 天线单元仿真曲线

(a) 天线阵列正面图

(b) 天线阵列背面图图3 天线阵列结构图

2 天线阵列设计仿真

2.1 天线阵列结构设计

完成单元天线仿真后，可将天线单元组成一个四元阵列进行仿真，并加工制作了阵列天线实物.图3为天线阵列的功分网络，通过两级二等分功分器设计出馈电网络，为了更好地实现阻抗匹配，在功分器末端加入匹配枝节对电压驻波比进行调节，这种结构还保证实现各个阵元等幅同相.通过对天线阵列各个单元贴片的尺寸以及单元间距进行微调优化得到最理想的仿真结果.

图4为四元天线阵列的仿真结果.其中(a)为天线阵的仿真驻波曲线,天线在1.47 ～1.7 GHz 频段范围内VSWR<2,天线阵列三个不同频点的E面和H面仿真方向图如图(b)和(c)所示,可得到阵列天线在1.7 GHz时的最大增益为18.07 dB.

(a) 天线阵列仿真驻波曲线

(b) 天线阵列仿真E面方向图

(c) 天线阵列仿真H面方向图图4 天线阵列仿真曲线

2.2 天线阵列结果分析

根据表1中天线单元的参数尺寸和天线阵列的仿真结果， 制作了天线阵列实物,如图6所示,并对天线实物进行了测试.在1.5 ～1.7 GHz的频段范围内VSWR<2,相对带宽达到13%,图5是天线阵列的实测归一化方向图曲线，实测最大增益达到了18 dB，与仿真计算结果相符.表2为天线阵列中心频点f=1.6 GHz的仿真结果与实测结果的比较,从表中可以看出,天线的仿真计算结果与实测结果吻合得较好.

表2 天线阵列仿真与实测结果比较

图5 天线阵列实测归一化方向图曲线

图6 天线实物图

3 结 论

设计了一种低剖面开槽天线,该天线具有频带较宽、低剖面、增益高的特点.在理论分析的基础上，通过HFSS软件的仿真、优化设计，实测了一副四单元低剖面高增益阵列天线.实测结果很好地印证了该天线的上述特点.天线电压驻波比VSWR<2的带宽达到13%，且天线在工作频段内增益大于15 dB；其剖面高度仅约10 mm,很好地解决了实际工程中天线性能与平台大小的矛盾问题.

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