新型全向圆柱体共形微带天线*

王振楠， 张文梅

(山西大学 物理电子工程学院， 山西 太原 030006)

0　引　言

近年来， 微带天线的研究取得了很大进展. 相比其他类型天线， 微带天线具有重量轻， 体积小， 低轮廓， 易于和载体共形等[1]特点. 微带共形天线广泛应用于卫星通信， 雷达， 导弹等武器设备中， 从而改善飞机的气动外形并降低了雷达散射截面积(Radar-cross section, RCS)[2]. 对于高速旋转的柱形载体， 如导弹， 要求所配天线不影响柱体的动力学特征[3]， 还要满足全向辐射， 故可采用天线阵结构. 如文献[4]就是通过运用柱体表面的对称天线阵实现了均匀全向辐射； 文献[5]利用32元泰勒天线阵构成的全向共形天线， 有效减小旁瓣的幅度； 文献[6]通过添加寄生贴片展宽了频带， 所实现天线的相对轴比带宽为44%， 阻抗带宽为61%； 文献[7]设计的是与圆柱共形的宽频圆极化天线， 相对阻抗带宽为45%， 馈电网络采用了巴伦结构； 文献[8]中采用三角形贴片设计了2.3 GHz～8 GHz的宽频带天线， 具有尺寸小、 易加工等特点； 文献[9]设计的是一种新型分形结构天线, 能同时工作在蓝牙、 WLAN和WiMAX频段； 文献[10]通过采用弯折的几何结构及锯齿形穿线结构构造了一种可穿戴的UHF RFID标签天线， 工作频率为910 MHz.

本文提出了一种工作在2.4 GHz处的全向圆柱体共形天线. 天线采用4组完全相同且对称分布的贴片实现全向辐射. 天线的工作频段为2.3 GHz～2.58 GHz, 在θ=60°平面可形成全向辐射， 可用于手榴弹的定位. 通过添加寄生贴片并采用边馈的方式来展宽频带.

1　天线结构及工作特性

1.1　天线结构

本文设计的全向圆柱体共形天线结构如图 1 所示. 天线介质分为2层， 外层介质的相对介电常数为6.15， 厚度为0.762 mm， 内层介电常数为2.2， 厚度为0.787 4 mm， 两种材料的损耗角正切均分别为0.001 9与0.000 9， 最外层是辐射贴片， 中间层为馈电网络， 最内层为接地板. 由接地板向馈线方向馈电.

图 1　天线结构图Fig.1　Structure of the proposed antenna

图 2 是贴片阵示意图， 由8个大小相同的矩形贴片构成， 为了图示清晰， 这里仅画出4个贴片. 下面一排贴片为主要辐射单元； 上方的附属贴片用来展宽频带. 天线采用的馈电网络如图 2 中黑色实线所示， 位于天线两层介质之间. 为了获得全向的辐射方向图， 采用4分功率分配器， 将端口所提供的能量均匀地传递到4组贴片上. 顶端的小枝节用于调节与附属贴片之间的匹配程度. 图 2 所示为馈电效果最理想时的相对位置.

图 2　贴片平面示意图Fig.2　Geometry of feed lines and patches

1.2　参数分析

图 3　附属贴片对S11的影响Fig.3　Effect of accessory patchs on S11

在天线的仿真设计过程中， 发现通过添加附属贴片和改变馈电点位置可以展宽频带. 图 3 是附属贴片对天线带宽影响的示意图. 其中- ▲ -曲线是未添加附属贴片的S11图， -10 dB阻抗带宽为2.44 GHz～2.55 GHz. - □ -曲线为改进后天线的仿真结果， -10 dB阻抗带宽为2.3 GHz～2.58 GHz. 通过对比， 8贴片结构比4贴片结构的带宽增加1.5倍.

矩形贴片天线结构的一个重要参数就是馈电点位置， 作为矩形贴片天线的变形， 改变馈电线相对于贴片的位置可调节天线性能， 采用合适的偏馈位置可以获得较好的匹配效果. 通过仿真发现， 调节馈线与贴片相对位置w3， 天线的阻抗特性S11发生明显变化， 如图 4 所示. 当w3=16.5 mm 即馈电位置位于贴片中心处时， 带宽为116 MHz， 经过优化发现当采用w3=26.37 mm 的偏馈时， 天线阻抗匹配情况最为理想， 带宽为280 MHz.

图 5 为w2对S11曲线的影响. 馈电线宽度w2可以明显影响耦合程度， 当w2=1.4 mm时， 匹配最好.

图 4　中心馈电与边馈对S11曲线的影响Fig.4　Effect of center feed and edge feed on S11

图 5　S11曲线随w2变化曲线Fig.5　S11 changing curve with different w2

1.3　仿真结果

图 6 给出了天线S11的仿真结果. 天线-10 dB阻抗带宽为2.3 GHz～2.58 GHz， 两频率谐振点2.38 GHz和2.52 GHz的对应值分别为-38.6 dB和-30.5 dB.

图7是天线在θ=60°,φ=120°处的增益曲线， 最大值在2.504 GHz处， 为4.816 dB.

图 6　天线S11仿真结果 Fig.6　The simulation results of S11

图 7　增益曲线Fig.7　Gain curve

图 8 是天线的辐射方向图. 由8(a)可知， 在φ=0°的垂直平面上，θ=30°～98°与θ=254°～330°范围内辐射较强； 图8(b)为θ=60°平面处仿真结果， 方向图在所有水平面呈“O”形， 即全向辐射， 主极化明显大于交叉极化.

图 8　天线辐射方向图Fig.8　Antenna radiation direction

2　结　论

本文提出了一种全向圆柱体共形微带天线， 研究了辐射贴片的数量与馈电位置对天线性能的影响. 馈电方式为临近耦合馈电， 结构采用4分功率分配器. 圆柱介质直径为50 mm， 柱体高100 mm， 符合手榴弹的尺寸标准， 柱体内表面附着有完整接地板， 可以对内部空间起到屏蔽作用， 满足实际应用要求. 文中采用HFSSV13进行仿真， 其工作频段为2.3 GHz～2.58 GHz， 在水平面可形成全向辐射， 最大增益为4.816 dB.

参考文献：

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