电小尺寸锥台上双馈圆极化共形微带天线阵设计

吴峻岩，于家傲，姜永金，陶 琴

（1.空军预警学院，湖北武汉 430019；2.中国人民解放军94639 部队，江苏南京 211599）

0 引 言

基于柔性薄介质基底的共形微带天线能够保持载体的气动性能而不破坏载体的机械结构，并能节约载体的内部空间，可制作成通信天线、导航天线安装到制导导弹、舰船、飞机等作战平台上。共形微带天线的上述优点使其得到了广泛的应用，目前已成为天线领域中研究的热点之一。文献[1-2]分析了影响天线全向性的因素，设计并实现了水平全向共形微带天线阵列。文献[3]研究了微带天线带宽窄的问题，提出一种共形微带天线宽带化技术。文献[4-5]研究了介质载体上的共形天线，提出了分析计算这类天线的方法。文献[6-8]将电磁带隙结构引入共形微带天线的设计中，抑制了表面波、减小了表面曲率对天线的影响，提高了天线的辐射性能。文献[9-11]对共形微带天线阵列方向图进行了综合研究，提出了低互耦、高精度的快速算法。

共形微带天线阵列的研究多采用平面天线直接共形到大曲率半径载体上的方式。当载体曲率半径大于一个波长时，可以忽略曲率变化对微带天线的影响。但当载体曲率半径较小时，平面天线模型已经不再适用，贴片弯曲会对天线工作带宽、增益和半波功率波束宽度，特别是对圆极化性能带来较大影响，降低天线接收信号的能力[12-13]。

卫星导航信号多为工作在L 波段的圆极化信号，当锥台尺寸相对导航信号为电小尺寸时，平面结构导航天线往往无法在锥台表面直接安装使用。若将天线弯曲共形于锥台表面，则天线性能受载体的表面材质和形状影响不可忽略，尤其曲率半径变化对天线圆极化效果影响更为明显，这将对导航信号的接收带来不利影响。

本文选取微带贴片天线在曲面共形的方式，在平面双馈圆极化微带天线的基础上，设计实现电小尺寸锥台上的共形全向圆极化导航天线阵，并通过对天线阵单元尺寸调整进行研究，对圆极化增益进行改善。最后，制作出天线实物并进行测量验证。测量结果表明共形天线经过调整后，在GPS L1 频点（1.575 GHz）和北斗B1频点（1.562 GHz）上具有良好的圆极化辐射性能。

1 微带天线设计

1.1 天线单元设计

双馈圆极化微带天线单元平面结构如图1 所示。天线工作于GPS L1 频点，采用矩形微带贴片结构。微带贴片的宽度为W，长度为L，贴片印刷于相对介电常数为εr=2.65 的柔性介质基底，其厚度为0.6 mm。天线单元采用双边馈的方式进行馈电，贴片边缘与馈电线相连形成正交馈电激励圆极化辐射。正交信号由Wilkinson功分移相器来产生。Wilkinson 功分移相器中的a1，a2段为功分器，保证两路信号的等幅性；a3段为移相器，实现90°移相功能，保证两路信号的正交性。a1，a2，a3段的阻抗分别为相应的线宽分别为w1=0.53 mm，w2=0.2 mm，w3=0.53 mm。

图1 微带天线单元平面结构Fig.1 Plane structure of microstrip antenna unit

1.2 天线阵列设计

锥台共形天线阵结构如图2 所示。天线阵列由三个天线单元组成，天线单元按相等距离均匀分布于锥台表面，并由一分三功分馈电网络实现对三个单元的等幅同相馈电，实现水平全向辐射。锥台的上底直径为Dup=78.3 mm，下底直径为Ddown=113 mm，高度为H=110 mm。

图2 锥台共形天线阵列结构Fig.2 Structure of conformal microstrip antenna array on cone frustum

三个天线阵单元通过一分三功分馈电网络完成等幅同相馈电，其平面结构如图3 所示。一分三功分馈电网络在进行功率分配的同时完成三路90 Ω 阻抗端口到一路50 Ω 阻抗端口的阻抗变换，中间引入波长阻抗变换段，变换段阻抗为31.7 Ω，其线宽w2=2.34 mm，长度y1=11.3 mm，y2=21 mm。后端接50 Ω微带传输线，其线宽w3=1.6 mm，并与50 Ω SMA 接头匹配。在传输线上附加相位调节枝节，使得3，4 两端口相对2 端口在相位上延迟2π，即一个波长的距离λg=129 mm，从而保证2，3，4 端口为等幅同相馈电[14]。

图3 一分三功分馈电网络平面结构Fig.3 Plane structure of one-to-three feed network

2 锥台共形对天线性能的影响分析

通过设计使平面结构的微带天线单元在1.575 GHz频点谐振，圆极化辐射性能良好，此时天线尺寸为W=L=58.7 mm，天线贴片为正方形。仿真得到的天线增益曲线、轴比曲线如图4 所示。然后将该天线与锥台共形，其尺寸参数保持不变。天线增益曲线、轴比曲线的变化如图4 所示。由仿真结果可知，天线共形后增益最大值基本不变，但是增益最优频点从1.575 GHz 移动到1.583 GHz，如图4a）所示；共形后轴比性能变差，轴比最优频点由1.575 GHz 移动到了1.59 GHz，偏离了天线的谐振频点，如图4b）所示。

图4 平面天线与共形天线性能对比Fig.4 Performance comparison of planar antenna and conformal antenna

为进一步分析天线性能改变的原因，将共形后的天线作为二端口网络进行仿真，天线输入端口1，2 的位置如图1 所示。仿真得到两输入端口的输入阻抗曲线如图5 所示。天线共形后端口2 的输入阻抗相比端口1 发生明显改变，阻抗实部的变化会导致信号幅度不同，阻抗虚部的变化会导致信号相位不同，两路信号的等幅正交性不能保证，使得天线的圆极化性能下降[15]。

图5 双端口输入阻抗比较Fig.5 Comparison of input impedance of dual port

3 锥台共形天线调整

3.1 天线圆极化性能调整

为减小共形给天线带来的影响，改善平面天线共形之后的圆极化性能，分别对宽度W、长度L、切角尺寸c参数进行仿真分析，发现当微带贴片保持正方形时，上述参数的变化未能改善天线圆极化性能。

下面，对宽度W添加一增量dx使贴片变为长方形，然后对增量dx进行仿真分析。当dx在小范围内增加时，S11曲线变化明显，如图6a）所示；天线轴比最小值随着dx的增加而下降，最优频点向低频移动，在dx=0.4 mm 时最优，如图6b）所示；圆极化增益的最大值点也随之向低频移动，如图6c）所示。

图6 中S11和轴比的变化体现着天线输入阻抗的变化。可以看出，增加宽度W能够调整输入阻抗，降低两个端口间的阻抗差异，提高两路信号的等幅正交性。因此，可以通过调整宽度W来减少共形的影响，改善天线的圆极化辐射性能。

3.2 天线谐振频点调整

加工天线实物时，微带天线介质基底存在介电常数漂移的现象，这会改变天线的谐振频点。此时，可以采用切角的方式对设计制造出的天线做进一步的调整。天线共有四个切角，位置如图7 所示，切角大小相同，均为等腰直角三角形，其直角边长为c。

图7 微带天线切角调整方法示意图Fig.7 Schematic diagram of corner-cutting adjustment method of microstrip antenna

对不同切角大小的天线进行仿真，得到S11曲线、轴比曲线、圆极化增益曲线和水平方位面方向图，如图8所示。当切角在小范围内增加时天线谐振频点向高频移动，如图8a）所示；同时天线的轴比最优频点和圆极化增益最优频点也随之一起向高频偏移，如图8b），图8c）所示；但水平方位面上各方向的增益变化较小，如图8d）所示。天线总体性能基本不受影响，可以通过切角方式调整谐振频率。

4 天线实物性能测试

经过调整优化得到天线最终设计方案，最终天线的尺寸为W=59.1 mm，L=58.7 mm，其他设计参数保持不变。加工制作出锥台共形导航天线实物如图9所示。

对天线实物的S11参数、圆极化增益、水平方位面和俯仰方位面增益进行测试，并将实测数据与HFSS 仿真结果进行对比。

天线的S11曲线如图10a）所示，在1.55～1.6 GHz 范围内，天线S11≤-10 dB，工作频带覆盖了GPS L1 频点和北斗导航B1频点，天线实物样机的S11曲线较仿真结果略偏向低频。天线的圆极化增益曲线如图10b）所示，实测圆极化增益与仿真圆极化增益基本吻合。测量天线在GPS L1 频点和北斗B1 频点的水平方位面和俯仰面方向图，测量结果如图10c），图10d）所示。天线在GPS L1 频点和北斗B1 频点的方位面增益最大值分别为1.73 dB，1.25 dB，最小增益分别为-0.41 dB，-0.9 dB。两频点方位面方向图基本为圆，不圆度分别为2.14 dB，2.15 dB。天线俯仰面方向图基本为“8”字型，如图10d）所示。

图8 天线性能随切角大小c 的变化Fig.8 Change of antenna performance with size c of cut corner

图9 锥台共形导航天线实物Fig.9 Prototype of conformal navigation antenna array on cone frustum

5 结 语

本文在电小尺寸锥台上，设计并实现了一款双馈圆极化共形微带导航天线阵。在设计过程中，首先仿真分析了锥台共形对天线单元性能的影响；然后在此基础上，通过调整天线宽度W参数来改善阻抗匹配情况，提高了共形天线圆极化性能；其次，为方便天线的修改与调整，采用切角方式调节天线的谐振频率；最后，根据最优设计方案，制作出天线实物并进行性能测试。测试结果表明，该天线在1.55～1.60 GHz 频段内S11参数小于-10 dB，在GPS L1 频点和北斗B1 频点的水平方位面增益最大值分别为1.73 dB，1.25 dB，两频点水平方位面方向图基本为圆，不圆度分别为2.14 dB，2.15 dB，具有良好的水平全向圆极化辐射性能。