新型低剖面開槽天線陣列研究

張 敏 趙 旭 王一笑 王偉光 楊穎怡

( 中國航天科工集團8511研究所，江蘇 南京 210007 )

引 言

目前，通信、雷達系統平臺越來越小，而通信、雷達偵察系統的不斷發展，對于天線的性能要求越來越高，這與基本的物理規律自相沖突和矛盾，給天線的設計帶來極大的困難.因此，大多的系統平臺都對天線提出了小型化、低剖面、高增益的要求[1-2].

本文就以上問題，結合實際應用背景，提出了一種低剖面開槽天線，并以此天線為基礎，構成低剖面陣列天線的方案，很好地解決了工程實際應用難題.

低剖面開槽天線是一種印刷天線[3]，該天線具有頻帶寬、增益高、結構緊湊和小型輕便等優點[4-5].在輻射貼片上開U形縫隙，可引起貼片表面電流的變化，等效為引入阻抗匹配元件，從而改變輻射貼片的諧振特性，通過諧振電路之間的耦合作用進而達到展寬頻帶的目的.

本文中天線單元的初始尺寸可由下式給出仿真初值[6-7]

(1)

式中：w為貼片長度；L為貼片寬度；c為光速；εr為介質板介電常數；εe為等效介電常數；fr為諧振頻率；h為介質板厚度,在較低頻段工作時,從減小天線重量及安裝面積和降低成本著眼, 地板尺寸WG和LG應盡可能小,考慮背饋情況有

(2)

因此，其理論基礎與微帶天線具有相似性.

(a) 天線單元三維結構圖

(b) 天線單元側視圖

(c) 天線單元俯視圖圖1 天線單元結構圖

1 單元天線結構設計及仿真

1.1 單元天線結構設計

圖1為天線結構示意圖,其中圖(a)為天線的三維坐標圖,圖(b)為天線總體側視圖，圖(c)為天線總體俯視圖.從圖中可以看出, 在天線單元上層輻射貼片饋電點附近開了一個U形縫隙，通過調整U形縫隙的位置、長度和寬度，最終實現阻抗匹配達到展寬天線帶寬的目的.

1.2 單元天線的仿真

為減小介質板對微帶天線性能的影響，選取ε=2.2，h=1 mm的介質基板,介質板與地板中間為空氣層, 此舉可降低等效諧振電路Q值,從而進一步展寬印刷天線帶寬.天線底層為地板,天線采用50 Ω的同軸線進行饋電，這種饋電方式穩定，后向輻射小，有效抑制了后瓣的產生.天線各尺寸參數如表1所示.

表1 天線參數尺寸

通過三維仿真軟件(High Frequency Structure Simulator ,HFSS)對天線單元進行仿真得到的計算結果如圖2所示.其中圖(a)為單元天線的仿真駐波曲線,從圖中可以知道，天線單元在1.45 ～1.85 GHz頻段范圍內電壓駐波比(Voltage Standing Wave Ratio,VSWR)小于2，三個不同頻點的E面和H面仿真方向圖如圖(b)和(c)所示,天線單元在1.7 GHz時的最大增益為9.3 dB.

(a) 天線單元仿真駐波曲線

(b) 天線單元仿真E面方向圖

(c) 天線單元仿真H面方向圖圖2 天線單元仿真曲線

(a) 天線陣列正面圖

(b) 天線陣列背面圖圖3 天線陣列結構圖

2 天線陣列設計仿真

2.1 天線陣列結構設計

完成單元天線仿真后，可將天線單元組成一個四元陣列進行仿真，并加工制作了陣列天線實物.圖3為天線陣列的功分網絡，通過兩級二等分功分器設計出饋電網絡，為了更好地實現阻抗匹配，在功分器末端加入匹配枝節對電壓駐波比進行調節，這種結構還保證實現各個陣元等幅同相.通過對天線陣列各個單元貼片的尺寸以及單元間距進行微調優化得到最理想的仿真結果.

圖4為四元天線陣列的仿真結果.其中(a)為天線陣的仿真駐波曲線,天線在1.47 ～1.7 GHz 頻段范圍內VSWR<2,天線陣列三個不同頻點的E面和H面仿真方向圖如圖(b)和(c)所示,可得到陣列天線在1.7 GHz時的最大增益為18.07 dB.

(a) 天線陣列仿真駐波曲線

(b) 天線陣列仿真E面方向圖

(c) 天線陣列仿真H面方向圖圖4 天線陣列仿真曲線

2.2 天線陣列結果分析

根據表1中天線單元的參數尺寸和天線陣列的仿真結果， 制作了天線陣列實物,如圖6所示,并對天線實物進行了測試.在1.5 ～1.7 GHz的頻段范圍內VSWR<2,相對帶寬達到13%,圖5是天線陣列的實測歸一化方向圖曲線，實測最大增益達到了18 dB，與仿真計算結果相符.表2為天線陣列中心頻點f=1.6 GHz的仿真結果與實測結果的比較,從表中可以看出,天線的仿真計算結果與實測結果吻合得較好.

表2 天線陣列仿真與實測結果比較

圖5 天線陣列實測歸一化方向圖曲線

圖6 天線實物圖

3 結 論

設計了一種低剖面開槽天線,該天線具有頻帶較寬、低剖面、增益高的特點.在理論分析的基礎上，通過HFSS軟件的仿真、優化設計，實測了一副四單元低剖面高增益陣列天線.實測結果很好地印證了該天線的上述特點.天線電壓駐波比VSWR<2的帶寬達到13%，且天線在工作頻段內增益大于15 dB；其剖面高度僅約10 mm,很好地解決了實際工程中天線性能與平臺大小的矛盾問題.

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