X波段全向共形機載天線的仿真與設計﹡

韓振平，錢祖平，2，倪為民 ，劉宗全

（1. 解放軍理工大學通信工程學院，江蘇 南京 210007;2. 東南大學毫米波國家重點實驗室，江蘇 南京 210096）

伴隨著雷達、電子戰和通信系統的飛速發展，為擴大機載雷達自身的作戰能力范圍，機載天線除了要求實現寬帶工作外，還要實現寬波束掃描。要求天線在方位面全向輻射，在俯仰面具有一定的波束掃描范圍。這對天線的設計提出了較高的要求。共形天線由于與載體共形設計，具有良好的電氣性能、電磁兼容性好、不易受電磁環境的干擾、較小的雷達散射截面，這些優點使其在航空、制導、雷達等領域得到了廣泛的應用。對于機載共形天線，主要關心天線波束對空間的覆蓋，一般不要求很高的增益，所要的波束范圍內達到0dB或-2dB即可，一般要求其方向圖在方位面全向，在俯仰面具有一定的波束寬度。

共形天線的載體常用的有圓柱體[1]、圓錐體[2]和球體[3]等多種形狀。考慮到實際情況，機體可近似為柱體。常見的共形天線單元有陣子天線、微帶天線、縫隙天線和螺旋天線。其中縫隙天線和螺旋天線共形設計以及加工比較復雜。研究表明，螺旋天線[4]、正旋天線[5]以及橢圓形[6-7],半橢圓形[8]的單極子天線具有不同程度的寬帶寬波束特性。考慮到天線性能需要滿足帶寬和波束寬度要求，本文設計的柱面共形天線工作于X頻段，該天線由矩形平面單極天線[9]與柱體共形，通過共面波導方式對其進行饋電。利用HFSS進行仿真設計，對比了平面天線與共形天線的阻抗特性和輻射特性，為下一步共形陣列的研究打下了良好的基礎。

1 平面天線結構設計與仿真

平面單極天線結構如圖1所示。選用F4B-2材料的基板，其介電常數為2.55，介質板較薄時天線易于共形，基板厚度h為 0.2mm，介質損耗為0.001，面積為60mm×50mm。介質材料厚度較薄，采用微帶饋電時不易獲得 50Ω的輸入阻抗，因此采用共面波導（CPW）饋電形式。共面波導相對于微帶線，具有輻射損耗小、色散低、易與其他元器件實現串并連接，提高電路集成度等優點。為獲得 50Ω的特性阻抗，共面波導導帶寬度W1=3.6mm，縫隙的寬度g=0.2mm。

使用HFSS 12.0經過優化設計，平面天線的主要結構參數大小如表1所示。

圖1 平面天線結構示意圖

表1 平面單極天線的參數值（單位：mm）

圖2顯示了平面單極天線的反射系數曲線。由圖2可看出，回波損耗 S11≤-10dB的阻抗帶寬覆蓋了7.3～12.5GHz，出現了兩個諧振點，分別為f=8GHz，f=10.1GHz。設計的平面單極天線滿足工作于X波段的要求。

圖2 平面單極天線的S11仿真曲線

在諧振點f=8GHz、f=10.1GHz，以及高頻f=12GHz處的E面和H面，方向圖如圖3所示。由圖3可見，平面單極天線的輻射方向圖關于主軸z軸幾乎是對稱的，且E面近似為“8”字，H面近似全向輻射。f=8GHz時，E面最大增益為1.5dB，3dB波束寬度約為120°，H面最大增益為2.3dB，3dB波束寬度約為140°，最大輻射方向偏離主軸30度。f=10.1GHz時，E面最大增益為2.4dB，H面最大增益為0.5dB，最大輻射方向偏離主軸30度。f=12GHz時，E面最大增益為3.5dB，H面最大增益為1.7dB，最大輻射方向偏離主軸40度。在整個工作頻段內，輻射穩定，滿足機載天線全向輻射的要求。

圖3 平面單極天線方向圖仿真結果

2 共形天線仿真分析

如圖4所示為平面單元共形后的結構圖。為增加天線的實用性，選取圓柱作為共形載體，長度L=80mm,半徑R=25mm，柱形載體的介電常數εr=1.03的泡沫材料。

圖4 柱面共形天線結構示意圖

圖5顯示了柱面共形天線的反射系數曲線。仿真的S11≤-10dB的阻抗帶寬覆蓋X波段，S11在工作頻段內下陷深度增大。與圖2中平面單極天線的回波損耗曲線相比，在低頻端的帶寬有所提高。原因主要是共形結構的引入以及載體介電常數的影響。由圖5可看出，出現了兩個諧振點，分別為f=8.7GHzf=12GHz，與平面單極天線相比諧振點向右偏移。共形后的天線滿足工作于X波段的要求。

圖5 柱面共形天線的回波損耗仿真曲線

頻率點8GHz、10.1GHz和12GHz的E面和H面方向圖如圖6所示。由圖6可見，與平面天線輻射方向圖相比，共形后的天線方向圖波動較大，E面方向圖出現了旁瓣，最大輻射方向偏離z軸一定角度，增益值明顯降低，H面的全向特性在高頻時惡化。f=8GHz時，E面最大增益為4.8dB，H面最大增益為4dB，最大輻射方向偏離主軸30度。f=10.1GHz時，E面最大增益為2.1dB，H面最大增益為0.8dB，最大輻射方向偏離主軸45度。f=12GHz時，E面最大增益為2.3dB， H面最大增益為1.7dB，最大輻射方向偏離主軸20度。在整個工作頻段內，輻射較穩定。與平面天線相比，增益值有所提高，波束寬度增大，輻射特性較好滿足機載天線全向輻射的要求。

圖6 柱面共形天線方向圖的仿真結果

3 測試結果

依照仿真結果，實際加工制作的平面天線與柱面共形天線如圖 7所示。柱體為泡沫材料，載體半徑R=25mm，高度H=120mm。由矢量網絡分析儀測得的S11曲線如圖8所示。諧振點與仿真結果對比向右偏移，主要是由于在微波暗室測量時，共形天線測量面的校準存在一定的誤差，此外還有受到環境的影響以及天線在加工過程中產生的誤差。測試諧振點的增益方向圖如圖9所示。與仿真結果吻合較好，由于高頻時的波瓣惡化嚴重，可用頻段覆蓋7.0～12.5GHz。

圖7 加工制作的平面天線(a)與柱面共形天線(b)

圖8 實測平面天線和共形天線的S11曲線

圖9 實測共形天線的增益方向圖（a）f=8.75GHz (b)f=10.1GHz

4 結束語

本文設計仿真了一種工作于 X頻段的柱面共形天線。首先設計了平面單極天線，通過共面波導方式對其進行饋電。利用HFSS對平面天線和共形天線進行仿真設計，對比平面天線與共形天線的阻抗特性和輻射特性，仿真結果表明共形后的天線帶寬變大，增益提高，波束寬度展寬。在X波段內實現了低仰角掃描和方位面的全向掃描，阻抗帶寬為7.0～12.5GHz，最大增益可達4dB，輻射特性穩定，滿足機載天線的性能指標。適合用做機載天線的共形單元，為下一步的陣列研究打下了良好的基礎。

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