一种宽波束矩形单极天线的设计

创新者:欧仁侠 陈洪斌 鲍 捷

一种宽波束矩形单极天线的设计

创新者:欧仁侠 陈洪斌 鲍 捷

设计加工了一种具有宽波束特性的矩形单极天线。该天线为矩形平面单极天线，通过共面波导方式进行馈电。利用HFSS对平面天线仿真优化，对天线的阻抗特性和辐射特性进行分析，仿真结果表明，天线在宽频带内实现低仰角，方位面能偶全向扫描，阻抗带宽7.3～12.6GHz，最大增益可达4.1dB，辐射稳定性好，可用于机载天线的共形单元。

由于通信系统与雷达技术的飞速发展，对机载天线提出了更高的要求，除了宽波束扫描外，还要求具有宽带特性，即在俯仰面具备一定的波束扫描范围，在方位面能够全向辐射，工作频带内具备稳定的方向性和天线增益，工作频带内足够小的回波损耗。对于机载天线，关注的焦点是天线波束对空间的覆盖，对增益要求不高，波束的范围内达到0dB或-2dB即可，一般要求它的方向图在水平面全向，在垂直面具有一定的波束宽度。矩形单极天线、螺旋天线、正旋天线以及椭圆形、半椭圆形的单极子天线已被证明具有一定的宽波束特性，但是螺旋天线和正旋天线设计加工复杂，而采用共面波导馈电的矩形单极天线能够满足上述要求，而且具有良好的电磁兼容性、不易被电磁环境干扰，这些优点使其在航空、雷达、制导等领域得到了广泛的应用。本文设计的天线工作频段较宽，该天线为一矩形平面单极天线，通过共面波导进行馈电。通过HFSS软件进行仿真，分析了天线的阻抗与辐射特性，达到了设计要求。

平面天线结构设计与仿真

使用HFSS软件进行优化设计，天线的主要结构参数大小如表1所示。

表1 平面单极天线的参数值（单位:mm）

图2为平面单极天线的反射系数曲线，由图可看出，在7.8GH和9.9GHz附近获得了良好的谐振特性，出现的最大反射系数频点为11.9GHz，其值为-10.5dB，说明在工作频带内阻抗匹配良好，满足天线的宽频带宽波束要求。

图1 天线结构示意图

图2 平面单极天线的S11曲线

图3 平面单极天线的增益方向图

在谐振点f=7.8GHz，f=9.9GHz和高频f=11.9GHz处的E面和H面方向图如图3所示。从图中可以看出，方向图关于主轴z轴近似是对称的，且E面表现为“8”型，在±Z方向上辐射最弱，在±X方向上辐射最强，f=7.8GHz时，E面最大增益为1.4dB，0dB波束宽度约为120°。f=9.9GHz时，E面最大增益是2.4dB。f=11.9GHz时，E面最大增益是3.7dB。H面可以看做全向辐射。f=7.8GHz时，H面最大增益为3.8dB，0dB波束宽度大概为135°，最大辐射方向偏离主轴30°。f=9.9GHz时，H面最大增益为0.5dB，最大辐射方向偏离主轴30°。f=11.9GHz时，H面最大增益是1.8dB，最大辐射方向偏离主轴35°。在工作频段内，天线辐射稳定，满足设计指标。

测试结果分析

根据仿真结果，加工了天线，如图4所示。测得的S11曲线如图5所示。由图可看出，天线阻抗带宽在7.3～12.6GHz范围内在S11≤-10dB，阻抗带宽较宽，S11在工作频段内下陷深度加大。与仿真曲线相比，天线的绝对带宽为5.3GHz，低频端的带宽有所提高，实测的谐振点分别为8.5GHz、11.8GHz、12.9GHz，与仿真结果相比谐振点向右偏移，主要是由加工误差和焊接SMA接头引起的，天线满足宽频带宽波束的要求。谐振点的增益方向图如图6所示。可见，天线的辐射方向图较好，由于高频波瓣恶化严重，可用频段覆盖7.3～12.6GHz。

图4 加工制作的平面天线

图5 实测天线的回波损耗曲线

图6 实测平面单极天线的增益方向图

结语

设计仿真了一种宽频带平面单极天线，馈电方式采用共面波导。在宽频段内辐射特性稳定，在垂直面1.4dB波束宽度达到120°，在水平面内实现全向扫描，阻抗带宽为7.3～12.6GHz，最大增益可达4.1dB，辐射特性稳定。

欧仁侠 陈洪斌 鲍 捷

吉林医药学院公共卫生学院

欧仁侠（1980-）女（汉），吉林农安人，讲师，硕士，研究方向为电子技术及安全管理；陈洪斌（1973-）男（汉），吉林白城人，副教授，硕士，研究方向为电子技术；鲍捷（1981-）女（汉），吉林吉林人，讲师，硕士，研究方向为电子学。

10.3969/j.issn.1001-8972.2015.07.001