一種寬頻帶共形天線的特性研究

錢祖平 韓振平 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）

引 言

共形天線以其結構容易與載體共形而節省空間這一突出的優點在軍事和民用上具有廣泛的應用空間。對寬頻帶共形天線的研究具有重要的意義，并已經成為天線領域的研究熱點。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，共形天線的特性與平面結構的情況相比會發生很大的變化，而且共形載體的尺寸，材料屬性都會影響天線的工作性能。因此共形載體的選取在寬頻帶天線設計中至關重要，已有學者研究了載體特性的變化對于窄帶共形天線性能的影響［4］，但對于寬帶共形天線的研究較少。

研究證明:螺旋天線［5］、正旋天線［6］以及橢圓形［7-8］，半橢圓形［9］以及矩形［10］單極子天線具有不同程度的寬頻帶特性，可以與球面或柱面共形，以獲得寬頻帶共形天線。在文獻［10］的基礎上，首先設計了一個具有寬頻帶特性的平面單極天線，將其作為輻射單元與柱體共形。通過改變柱體曲率半徑、長度和介電常數等參數的大小，詳細分析其參數變化對于共形天線性能的影響。實際加工制作的天線，具有寬頻帶特性，在工作頻段內具有較好的輻射特性，增益穩定。

1.共面波導饋電分析

平面天線為一矩形單極子天線，結構如圖1所示。介質板較薄時天線易于共形，但介質材料厚度較薄，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。共面波導內導帶終端開路，作為饋源對縫隙進行激勵。天線的縫隙結構等效于一個匹配網絡，通過調節導帶的長度L3，導帶與地板的窄縫隙g，地板與輻射單元之間的縫隙寬度g1，可以達到良好的阻抗匹配。

共面波導的特性阻抗由介質基片的厚度h，相對介電常數εr，饋電導帶的寬度w，導帶與金屬地板之間的縫隙間隔g等參數共同決定。計算公式如下［11］

式中:εeff為共面波導介質的相對有效介電常數，表示為

為實現50Ω阻抗匹配，經計算導帶寬度w為3.2mm.基板選擇的是相對介電常數εr為2.55的F4B-2型介質板，厚度h為0.2mm，介質損耗為0.001.基于設計的要求，天線的初始參數如表1所示，基板尺寸為40mm×40mm.

圖1 平面單極天線結構示意圖

表1 天線的初始參數值（單位:mm）

2.共形天線性能及其參數分析

為增加天線的實用性，選取圓柱作為共形載體，高度H=50mm，半徑R=40mm，如圖2所示。

圖2 柱面共形天線結構示意圖

圖3顯示了平面天線與柱體共形之后的反射系數變化曲線，由圖可看出:平面天線反射系數S11≤-10dB的阻抗帶寬覆蓋了2～20GHz，且最高頻率處沒有出現截止現象。與圓柱體共形之后反射系數S11的性能變差，饋線上的電流變化幅度增大。主要是由于在圓柱共形情況下，平面天線結構與饋線均發生彎曲，天線的輸入阻抗發生了變化，天線與饋線的特性阻抗不再匹配所致。從圖3中可以看出:共形后的天線阻抗帶寬與平面情況相比變窄，為了改善共形天線的阻抗匹配以及帶寬特性，對圓柱載體的半徑R、介電常數εr以及高度H進行調節，研究柱體參數對天線特性的影響。

圖3 平面天線及其共形后的S11變化曲線

2.1 柱體半徑R對天線性能的影響

柱形載體的介電常數εr=1.03。圖4顯示了柱體半徑R變化時反射系數S11的變化曲線，由圖中可以看出:R的變化引起天線各個諧振點的偏移，造成阻抗匹配情況的變化，阻抗帶寬也發生改變。R值越小，共形天線的反射系數曲線與平面越來越接近。對于給定的平面天線結構，柱體半徑R值取得越小，天線的阻抗匹配情況越好，共形天線越接近于平面結構，其駐波性能也越接近于平面性能。

圖4 天線S11隨R變化的特性曲線

圖5顯示了天線的XZ面和YZ面輻射方向圖隨R的變化特性，選取工作頻率為10GHz.由圖可知:共形天線具有后向輻射，柱體的半徑R的改變引起天線輻射強度的變化，半徑R值減小時后向輻射加強，最大增益值變大。增益的變化情況與反射系數S11的變化情況相吻合，柱體半徑R值越小，天線的反射系數性能越好，增益也相對較高。

2.2 柱體εr值對天線性能的影響

前面分析R的變化對天線性能的影響，選取的柱體介電常數εr=1.03.在實際應用中，大多數的共形載體采用的介電常數為2.1～3.0，因此，研究柱體不同的εr值對天線性能的影響，工作頻率為10 GHz.

圖6顯示了不同的εr值對天線阻抗特性S11的影響。由圖可知，當εr變大時，天線的諧振頻率點增多，下陷程度減小，天線的匹配變差，造成整個帶寬的減小。結果表明:載體的介電常數對天線的阻抗特性影響較大，設計寬帶共形天線時，應選擇合適的共面載體以實現天線的性能。

圖7顯示了εr值的變化對于天線輻射特性的影響。由圖可知，介電常數εr的變化對方向圖的影響很明顯。當εr變大時，天線的輻射特性顯著加強，輻射增益變大。當εr=2.08時，XZ面的定向性增強，YZ面的全向輻射得到改善。當εr=3.0時，XZ面趨于全向輻射，而YZ面波動較大，造成一些角度輻射變差。

2.3 柱體高度H對天線性能的影響

研究柱體高度H對天線性能的影響。有關文獻［4］證明柱體長短對窄帶共形天線的輸入阻抗影響較小，柱體越短，方向圖起伏越大。

如圖8所示天線S11隨H的變化特性。由圖可見在2～6GHz低頻段和18～20GHz高頻段，S11的變化較大，H=75mm時.高頻處產生失配現象，對帶寬產生一定影響。

如圖9所示，天線的輻射特性隨H的改變發生波動，當H=50mm時，天線的輻射增益相對較大，定向性增強。隨著H的增大，XZ面和YZ面的定向輻射減弱，天線兩側的輻射加強，Z軸方向輻射強度減弱。

3.實測結果分析

按照仿真結果，實際加工制作了一個柱面共形天線，如圖10所示。柱體為泡沫材料，其介電常數為1.03，柱體半徑R=20mm，高度H=75mm.測試工作在微波暗室完成，由矢量網絡分析儀測得的反射系數S11曲線如圖11所示。諧振點的位置位于3.5GHz、11.4GHz和17.5GHz，與仿真結果相比諧振點發生一定的偏移，反射系數S11曲線深度加深，整個頻段內的變化趨勢和阻抗帶寬與仿真結果一致。利用實驗室的標準喇叭天線測試了天線諧振點3.5GHz、11.4GHz處的輻射方向圖，利用比較法計算出天線的實際增益大小，描繪出的增益方向圖如圖12所示。由于加工和焊接精度的誤差造成天線損耗的增大，以及周圍環境的影響，實測結果與仿真結果相比，實測的輻射方向圖輻射強度較小，最大增益低于仿真結果。由于高頻時的波瓣惡化較大，可用頻段覆蓋2～16GHz.

圖12 實測方向圖與仿真結果對比

4.結 論

對于寬頻帶共形天線，柱體半徑R的變化會引起天線高頻端諧振點的偏移，造成阻抗匹配情況的改變，但對總體的帶寬影響不大，選取較小的半徑R，可改善天線的輻射特性。柱體介電常數對天線性能影響較大，當εr變大時，天線的諧振頻率點增多，下陷程度減小，天線的匹配變差，造成整個帶寬的減小，但天線的輻射特性加強，輻射增益變大。柱體高度H較小時，天線的輻射增益相對較大，定向性增強。隨著H的增大，XZ面和YZ面的定向輻射減弱，天線兩側的輻射加強，Z軸方向輻射強度減弱。因此，在設計寬頻帶共形天線時，共形載體的選取對天線的性能至關重要，以上結論可對載體的選取提供了可靠依據。

［1］ZHANG Zhijun，GAO Xu，CHEN Wenhua.Study of conformal switchable antenna system on cylindrical surface for isotropic coverage［J］.IEEE Transactions on Antennas and Propagation，2011，59（3）:776-783.

［2］LIU Min，FENG Zirui，MENG Fanyi，et al.A 35GHz cone conformal microstrip 4×4array［C］／／Asia-Pasific Microwave Conference，2007，1127-1130.

［3］LATEF T A，KHAMAS S K.Bandwidth enhancement of a hemispherical helical antenna using aparasitic wire ［C］／／2010Loughborough Antenna and Propagation Conference.269-272.

［4］牛俊偉，鐘順時.柱面共形蝶形微帶天線的阻抗特性和方向圖研究［J］.電波科學學報.2004，19（5）:576-580.NIU Junwei，ZHONG Shunshi.Impedance characteristics and radiation patterns of conformal cylindrical bow-tie microstrip antennas［J］.Chinese Journal of Radio Science，2004，19（5）:576-580.（in Chinese）

［5］ALSAWAHA H W，SAFAAI-JAZI A.Ultra-wide band hemispherical helical antennas［J］.IEEE Transactions on Antennas and Propagation，2010，58（10）:3175-3346.

［6］SONG Lizhong，CONG Guojin，HONG Huanfeng.Simulation and Analysis of a hemispherical conformal sinuous antenna with four arms［C］／／Proceedings of 2010IEEE International Conference on Ultra-Wideband（ICUWB2010）.

［7］YAN X R，ZHONG S S，WANG G Y.Compact printed monopole antenna with 24:1impedance bandwidth［J］.Electronics Letters，2008，44（2）:73-74.

［8］THOMAS K G，SREENIVASAN M.Printed elliptical mono-pole with.shaped ground plane for pattern stability［J］.Electronics Letters，2009，45（9）:445-446.

［9］GOPIKRISHNA M，KRISHNA D D，ANANDAN C K.Design of a compact semi-elliptic monopole ［J］.IEEE Transactions on Antennas and Propagation，2009，57（6）:1834-1837.

［10］韓振平，錢祖平.X波段全向共形機載天線的仿真與設計［J］.指揮控制與仿真.2011，33（4）:67-71.HAN Zhenping，QIAN Zuping.Simulation and design of X-band conformal antenna on airborne craft with Omni-directional radiation［J］.Command Control ＆Simulation，2011，33（4）:67-71.（in Chinese）

［11］GEVORGIAN S，LINNER L J P，KOLLBERG E L.CAD models for shielded multilayer CPW ［J］.IEEE Trans on Microwave Theory and Tech，1995，43（4）:772-779.