共形于圆柱载体的串联阵列天线性能研究

陈　雪，苏晋荣，张文梅

(1.山西大学 物理电子工程学院，山西 太原 030006；2.太原师范学院 物理系，山西 太原 030619)



共形于圆柱载体的串联阵列天线性能研究

陈雪1,2，苏晋荣1，张文梅1

(1.山西大学 物理电子工程学院，山西 太原 030006；2.太原师范学院 物理系，山西 太原 030619)

本文提出一种新型的可共形于圆柱载体的阵列天线.采用共面波导(CPW)串联馈电的方法实现了较宽的工作带宽.在此基础上，研究了圆柱形载体对该共形阵列天线性能的影响.结果表明：没有载体时，共形阵列天线的-10 dB带宽为2.1～3.45 GHz(相对工作带宽48.6 %)，最大增益为5.4 dBi.加载相对介电常数介于1～8之间、厚度介于0～12 mm之间的柱形圆管载体后，该共形阵列天线依然满足覆盖无线局域网 (WLAN) 2.4～2.48 GHz的带宽要求，并且可以在 -60 ℃～100 ℃的环境温度下工作，满足目前复杂的无线通信设备的使用需求.

圆柱载体；共形阵列天线；共面波导；串联馈电；圆形缝隙

随着无线通信技术的飞速发展，星载、舰载、弹载雷达和航空航天等领域对共形天线的性能要求越来越高，研究成果也较多[1-9].如文献[1]分析了共形天线阵列的辐射和散射性能.文献[2]对球表面共形天线阵列的相位补偿做了研究.文献[3]提出了一种应用于60 GHz的矩形贴片共形阵列，并分析了阵列的辐射特性.此外，串联方式馈电的阵列设计也是目前研究的热点.文献[4-7]提出串联切比雪夫多项式排列的阵列天线，可以达到更好的阻抗匹配、展宽带宽.文献[8]采用长度变化的串联偶极子，将阵列天线的相对带宽改善至28.6 %.文献[9]利用双层指形微带传输线，既实现了宽的带宽，又减小了天线的旁瓣电平.上述串联馈电的阵列结构简单、易于匹配.另外，由于应用场合不同，共形天线的载体形状、材质的变化会对其性能产生影响，而此方面的研究成果却不多.

本文采用串联组阵、共面波导馈电的形式，实现了一种宽带共形阵列天线，并分析了所加载载体对天线性能的影响.结果表明：不加载柱形圆管时，该共形阵列天线-10 dB带宽为2.1～3.45 GHz，在2.45 GHz 处有最大增益为5.4 dBi.加载柱形圆管后，虽然阵列天线的谐振频率随管材的相对介电常数的增加而减小，带宽随管材厚度的增加而变窄，但当管材的相对介电常数介于1～8之间、厚度介于0～12 mm 之间时，其依然满足覆盖WLAN 2.4～2.48 GHz的带宽要求.

1　共面波导馈电的串联天线阵列设计

本文提出的共面波导馈电的串联天线阵列结构如图1所示.考虑到要将天线阵列共形，所以选取柔韧性强、易弯折的介质基板，其厚度为0.75 mm，相对介电常数为3.3，损耗角正切为0.001.图1(a) 为阵列单元的基本结构，即在共面波导传输线的外导体中心位置上蚀刻两个半径为r的对称的圆形缝隙，然后用一个长度为l1的矩形缝隙将该圆形缝隙与CPW缝隙相连接.图1(b) 为天线单元的侧视图.将上述天线单元串联成4×1的天线阵列，相邻天线单元的圆形缝隙中心相距w3，其结构如图1(c) 所示.本文利用电磁仿真软件HFSS对此对称圆形缝隙天线阵列的参数进行优化，优化后结构参数如表1所示.

图1　共面波导馈电的串联天线阵列结构Fig.1　The CPW series-fed antenna array structure

参数ww1w2ll1rghεrw3数值/mm605.04.510018.5150.40.753.3100

图2　参数w3变化对天线阵列S11的影响Fig.2　Simulated S11 for different w3

将天线单元串联为4单元阵列时，阵列间距w3是一个影响天线性能的敏感参数.图2为w3变化对天线阵列S11的影响，从中可以看出，随着w3的增加，阵列的谐振频率减小.当w3=90 mm时，-10 dB带宽为2.65～3.2 GHz，S11的最小值为-16 dB；而当w3=110 mm时，-10 dB带宽为2.15～2.8 GHz，S11的最小值达到-28 dB.本文选定w3为100 mm，此长度约为该介质上的共面波导工作在2.4 GHz 时的一个导波波长，此时，所有的阵列单元以相同的振幅和相位馈电，可以作为一个驻波阵列，-10 dB带宽为2.28～2.94 GHz (相对工作带宽25.3 %).

2　无载体时共形阵列天线的性能分析

图3　4单元共形阵列天线结构图Fig.3　4 elements conformal antenna array structure

本节中，将上述串联4单元阵列天线弯折为圆柱形结构.图3为无载体时该共形阵列天线的结构图，圆柱半径为69 mm，4个缝隙单元等间隔均匀分布于圆柱的四周.图4给出了圆形缝隙半径r变化对该阵列天线S11的影响.图4中显示，当r为14.7 mm和15.3 mm时，2.9～3 GHz频段的S11均大于-10 dB，此时阵列天线出现了双频带.当r为15 mm时，第4谐振频率减小至2.95 GHz，双频带合并为一个较宽的工作频带 (2.1～3.45 GHz)，相对带宽为48.6 %.

图5为仿真的阻抗特性.该共形阵列在4个谐振频率(2.15 GHz,2.45 GHz,2.8 GHz,2.95 GHz)处的电阻值均为50 Ω，且在2.1 GHz～3.45 GHz整个频段上，其输入阻抗的实部和虚部分别在50 Ω和0 Ω阻值附近上下起伏，浮动范围较小，上下起伏不超过25欧姆，可以认为在此频段上天线阵列实现了阻抗匹配.

图4　参数r变化对共形阵列天线S11的影响Fig.4　Simulated S11 of conformal antenna array for different r

图5　共形阵列天线的阻抗特性Fig.5　Simulated impedance characteristics

图6为共形阵列在2.45 GHz处的3D辐射方向图.因为4个天线单元均匀分布于圆柱体表面，所以在圆柱表面与每个单元垂直的方向上均有较大辐射，最大增益为5.4 dBi.图7为共形阵列在2.45 GHz处的主极化辐射方向图，从中可以看出，其x-z平面的辐射主瓣在0°附近，宽度约为80°；而y-z面较强的辐射分布在20°,100°,200°和280° 4 个角度附近.

图7　共形阵列在2.45 GHz的主极化辐射方向图Fig.7　The Co-polarization radiation pattern at 2.45 GHz

3　圆柱形载体对共形阵列天线性能的影响

在实际应用中，天线会和复杂的载体共形，所以本节对上述共形阵列天线的鲁棒性进行了分析.将阵列天线与一根柱形圆管共形，讨论圆管的厚度、材料以及环境温度变化对天线性能的影响.

首先选定柱形圆管的相对介电常数εr=2.2，管子的厚度从0 mm逐渐增加至12 mm，图8给出柱形圆管厚度变化对阵列天线S11的影响.随着管子厚度的增加，阵列天线的工作频带向低频段移动，中心频率减小.当管子厚度增加至12 mm时，天线的-10 dB带宽为1.95～2.68 GHz.图9为柱形圆管厚度变化时阵列天线在2.45 GHz的主极化方向图，从中可以看出，柱形圆管厚度改变对天线在x-z面的主极化方向图影响不大，但是随着圆管厚度的增加，y-z面120°附近的辐射减小.另外，阵列天线的增益随着圆管厚度的增加而增大，当圆管厚度为12 mm时，阵列天线的最大增益达到5.6 dBi.

图8　柱形圆管厚度变化对阵列天线S11的影响Fig.8 Simulated S11 for different thickness of pipe

图9　柱形圆管厚度变化时阵列天线的主极化方向图Fig.9　Simulated radiation pattern for different thickness of pipe

图10为柱形圆管选用不同材料时阵列天线的S11.圆管的厚度设为2 mm，考虑到常用载体材质，此处选择相对介电常数分别为2.2，6.5和8.如图10所示，阵列的 -10 dB工作带宽分别为2.05～2.8 GHz,1.9～2.6 GHz,1.95～2.55 GHz.可见，加载柱形圆管后，阵列天线的带宽随着圆管相对介电常数εr的增加而变窄.图11为柱形圆管选用不同材料时阵列天线在2.45 GHz的主极化方向图，从中可以看出：随着相对介电常数εr的增加，天线在x-z面的辐射减小，而在y-z面则表现出定向的辐射模式.当εr=8时，天线在y-z面270°附近有最大增益，为6.4 dBi.

图10　柱形圆管材料变化对阵列天线S11的影响Fig.10　SimulatedS11 for different materials of pipe

图11　柱形圆管材料变化时阵列天线的主极化方向图Fig.11　Simulated radiation pattern for different materials of pipe

最后分析环境温度对共形天线阵列的影响.通信用的阵列天线通常会加载在电瓷材料载体的表面，而电瓷材料的相对介电常数、损耗角正切等电气性能往往会随着温度而变化，从而影响天线性能.本文选用厚度为2 mm的硅质电瓷材料作为共形阵列天线的载体[10].图12为环境温度变化对天线阵列S11的影响，当天线周边温度等于或低于室内温度时 (t≤20 ℃)，共形阵列天线具有相似的S11曲线，说明低温环境对该天线的反射特性影响不大.但是随着温度的升高，电瓷材料的相对介电常数和损耗角正切都明显增加[10]，天线低频段工作带宽被展宽.当t=100 ℃高温时，天线的 -10 dB工作带宽为1.86～2.64 GHz，且2.7 GHz附近频段的S11减小至 -9 dB.图13为环境温度变化时天线阵列在2.45 GHz的主极化方向图.当t≤20 ℃时，天线阵列的辐射模式和增益几乎没有变化，最大增益为6.28 dBi；当t=100 ℃时，天线阵列的辐射减小，最大增益降至4.05 dBi.

图12　环境温度变化对阵列天线S11的影响Fig.12　Simulated S11 for different temperature

图13　环境温度变化时阵列天线的主极化方向图Fig.13　Simulated radiation pattern for different temperature

4　结　论

本文提出了一种共面波导串联馈电的共形阵列天线，其以驻波阵列的方式工作可以获得较宽的工作带宽.此外，分析了共形载体对阵列天线性能的影响，仿真结果表明：该阵列天线可以与塑料 (εr=2.4～4.75)、橡胶 (εr=2～3)、有机玻璃 (εr=3.9～4.1)、金刚石 (εr=5.5～8)等多种材料的不同厚度的柱形圆管载体共形，并且可以工作在不同的温度环境下，完全满足目前复杂的无线通信设备的使用需求，具有一定的实用性.

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Lin Yuqing.The preliminary tests of electrical porcelain material for relative dielectric constant,temperature coefficient and loss tangent at different temperatures[J].Electroceramic arrester,1987(2)：47-51.(in Chinese)

Research on Performance of Cylindrical Conformal Array Antenna with Series-Fed

CHEN Xue1,2,SU Jinrong1,ZHANG Wenmei1

(1.College of Physics and Electronics Engineering,Shanxi University,Taiyuan 030006,China；2.Dept.of Physics,Taiyuan Normal University,Taiyuan 030619,China)

In this paper,a novel conformal antenna array for cylindrical structure is proposed.By employing the method of coplanar waveguide (CPW) series-fed,a wide bandwidth is realized.Then,based on that the effect of cylindrical carrier on the performance of the conformal antenna array is studied.The results show that the -10 dB bandwidth of the conformal antenna array without cylindrical carrier is from 2.1 GHz to 3.45 GHz (the relative bandwidth is 48.6 %).The maximum gain reaches 5.4 dBi.when the antenna array is conformal in cylindrical tube with different relative dieletric constant(εr= 1～8),different thickness (0～12 mm),it can still meet the bandwidth demand of from 2.4 GHz to 2.48 GHz wireless local area network(WLAN).And the usage requirement of currently complex wireless communication equipment,also,it can work under the environment temperature from -60 ℃ to 100 ℃.

cylindrical carrier; conformal antenna array; coplanar waveguide; series-fed; circular slot

1671-7449(2016)05-0422-05

2016-03-05

国家自然科学基金资助项目(61271160)；教育部高校博士点基金资助项目(20121401110009)；山西省青年科技基金资助项目(2014021021-1)

陈雪(1981-)，女，讲师，博士生，主要从事无线通信系统的天线设计研究.

TP928

Adoi：10.3969/j.issn.1671-7449.2016.05.010