一种新型宽带金属腔体天线

孙立春， 汪伟， 官伟

(中国电子科技集团公司第三十八研究所， 安徽合肥 230088)

0 引言

随着现代雷达、无线通信的飞速发展，对天线的加工制造、工作带宽、剖面高度等特性提出了更高的要求，在某些具体应用中，还要满足诸如体积、重量、效率、加工、环境适应性等方面的特殊要求。在众多的天线类型中，微带天线以重量轻、剖面低、易共形、方便制造、成本低等优势受到设计者的青睐，被广泛使用于雷达系统、无线通信系统、小型飞行器[1]中。但是，微带天线由于相对带宽一般只有0.7%～7%，带宽较窄，实际应用受到了一定限制。因此，展宽微带天线的阻抗带宽具有重要意义。

微带贴片天线的窄频特性是由其高Q的谐振特性决定的[2]。可以降低Q值展宽带宽。目前，主要有以下几种微带天线宽带技术：降低基片介电常数；增加基片厚度；附加阻抗匹配网络，附加的匹配网络增加了设计工作量，为了减少工作量，使用遗传算法可减少仿真设计中全波仿真的计算量和优化次数[3]，但该方法普遍适用性不高；采用多层介质基片，将馈电网络与贴片分别置于不同的介质基片上，利用耦合的方式增加带宽；天线加载，天线采用探针馈电，在探针上加装电容可以有效展宽带宽；采用特殊的贴片形式，如蝶形、三角形、L形等，都可以增加天线带宽；使用背腔结构，增大基片厚度增加带宽等。但是，这些方法在实际使用时都有一定限制，低介电常数的基片比较少，如Rogers 5880的介质基片的介电常数为2.2，但是该基片较软，应用环境不够广泛。单纯增加基片厚度，对带宽的增加效果有限，并且厚度太厚容易引入表面波的影响。附加阻抗匹配网络需要贴片间存在有效的空间放置匹配网络。采用多层介质基片的微带天线设计复杂，且存在介质间层压、粘合、对准等制造工艺问题。天线加载一样存在与多层介质基片方法类似的工艺问题。使用背腔结构可以有效扩展微带天线带宽，但是却容易激励起高阶模式，天线的带内交叉极化性能差。

本文介绍了一种新型宽带金属腔体天线，天线由背腔式微带天线改进而来。文献[4]介绍了一种宽带低剖面SIW背腔E形微带贴片天线，天线可在剖面高度0.033个工作波长的介质基片上实现10%的工作带宽，但是，该背腔天线结构过于复杂，不利于工程设计。文献[5]介绍了一种E形贴片背腔式微带天线，整个天线由微带电路板及带有矩形空气背腔的接地结构板两部分组成，可实现44%以上的阻抗带宽。由于天线采用微带版与金属腔结合的形式，两种材料热膨胀系数不一致容易引入加工偏差，增加了加工难度，并且此种形式的天线环境适应性也不高。针对现有微带背腔天线存在的这种问题，本文设计了一种金属腔体天线，天线结构简单、材料单一。单一的金属材料避免了多种材料加工焊接时由于膨胀系数不一致导致的加工偏差，并且金属自身强度高、加工难度低，在应用时，金属腔体天线平面化的结构有利于系统集成，表面大面积开槽增强了天线的散热性能，工作可靠性高。天线还同时兼具带宽大、剖面低、体积小的优点。

1 天线设计

宽带金属腔体天线包括扁盒状空心的金属腔体与一层金属盖板。金属盖板上开工字形缝隙与“[ ]”形缝隙，形成电磁谐振缝，腔体底部开圆孔安装同轴连接器进行馈电。天线结构如图1所示。

天线顶部金属板上所开工字缝隙与“[ ]”形缝隙分别谐振在两个工作频段，由同轴线内导体在金属腔体内激励起类似标准波导工作模式，增大了天线阻抗带宽。进一步地，在金属盖板下方增加了金属匹配块，改善天线容感性，利于天线阻抗匹配。金属腔体高度约为低频波长的1/6，相比其他形式的天线，天线剖面很低。

天线结构简单，加工难度低，天线仅使用金属一种材料，强度高、散热性好，可适用于各种环境。由于天线单元大面积开槽，且底部是金属腔体，重量轻。

运用商用高频电磁仿真软件Ansoft HFSS对本文中介绍的天线进行建模仿真计算，运用主从边界的形式确定天线的边界条件，仿真了天线单元在二维平面阵中的情况。

如图2所示，天线长L=20.0 mm，宽W=15.1 mm，工字形槽长Ls= 7.8 mm，宽Ws=7 mm。金属腔体高4.9 mm，金属壁厚一般可选择0.8 mm厚的金属板，即天线剖面高度为6.5 mm。如图3所示，天线阻抗圆图呈现宽带特性，在8～12.5 GHz的工作频段内驻波小于2，相对带宽约为43%。图4～图6分别为天线低频、中频、高频三个频点处的方向图，实线为天线在直角坐标系中φ为0°面的主极化与交叉极化方向图，虚线为天线在φ为90°面的主极化与交叉极化方向图。图7为天线增益随频率的变化曲线。图4～图7反映了天线的方向图特性，可以看出，天线在工作频带内方向图未发生畸变，方向图形状稳定。金属腔体内工作模式单一，未激励起高阶模式，交叉极化特性比较好，仿真结果中交叉极化小于-20 dB，因此天线方向图带宽与驻波带宽相同。

图1 天线结构

图2 天线顶部金属盖板图3 天线阻抗圆图

图4 低频方向图图5 中频方向图

图6 高频方向图图7 增益随频率变化

2 在阵列中的应用

新型宽带金属腔体天线单元可应用于宽带阵列天线设计，相比传统多层微带天线与背腔式微带天线，可简化天线结构，降低天线剖面。纯金属的结构降低了加工难度，提高了天线阵的结构强度，增强了环境适应性，提高了天线的辐射效率。

利用宽带金属腔体单元设计的X波段8×12单元天线阵的实物照片如图8所示，该天线阵由8×12个金属腔体组成，采用50 Ω同轴探针对每个金属腔体馈电。天线俯仰间距dy=0.6λmin，以实现全频带俯仰向一维±30°的扫描范围。在微波暗室内对试验阵的各项技术指标进行了测试，结果显示：天线线阵在43%的频带内驻波比优于2，最大副瓣电平优于-12 dB，带内平均天线效率优于80%。图9给出了天线阵中单元端口驻波实测与仿真结果的对比，图10给出天线中频两主面方向图的测试结果。

图8 X波段8×12实验小阵实物照片

图9 天线驻波仿真与测试结果对比

(a)中频法向方向图

(b)中频扫描30°方向图图10 天线中频两主面方向图测试结果

该天线在频段内有着良好的宽带特性，天线设计中采用金属腔体结构，工作模式类似于标准波导主模，避免激励起高阶模式，使天线在43%的带宽内具有稳定的天线方向图，阵列合成的辐射方向图与理论综合方向图差异性较小，说明了金属腔体天线可以很好地应用在宽带阵列天线设计中。

3 结束语

本文介绍了一种新型低剖面宽带金属腔体天线，工作带宽约为43%，剖面高度约为低频1/6波长。天线结构简单、用料单一，具有易加工、强度高、散热性好、环境适用性强的特点。天线还同时兼具带宽大、剖面低、体积小的优点。平面化的结构，使天线方便集成，可广泛运用于不同工作环境下的通信、军事雷达系统中。

[1]邱玲,姚振东,刘语嫣. 宽带微带天线阵的研究与设计[J]. 电子测量技术, 2016, 39(9):26-30. QIU Ling, YAO Zhendong, LIU Yuyan. Research and Design of Broadband Micro-Strip Antenna Array[J]. Electronic Measurement Technology, 2016, 39(9):26-30.(in Chinese)

[2]钟顺时. 微带天线理论与技术[M]. 2版. 北京：电子工业出版社, 2015.

[3]周子成,卢晓鹏,姚雨帆.基于遗传算法的微带天线阻抗匹配设计[J].电子信息对抗技术, 2016, 31(3):68-71. ZHOU Zicheng, LU Xiaopeng, YAO Yufan.Microstrip

Antenna Impedance Matching Based on Genetic Algorithm[J].Electronic Information Warfare Technology, 2016, 31(3):68-71.(in Chinese)

[4]杨汶汶. 宽带微带天线及高性能有源一体化天线技术的研究[D]. 南京：东南大学, 2015.

[5]卢晓鹏,汪伟,高初. 微带线馈电的宽带单层贴片天线[J]. 雷达科学与技术, 2012, 10(4):448-452. LU Xiaopeng, WANG Wei, GAO Chu. Microstrip Line Fed Wideband Single-Layer Patch Antenna[J]. Radar Science and Technology, 2012, 10(4):448-452.(in Chinese)