柱面微帶天線的分析與仿真*

崔麗麗,王 偉,馬鐵華,丁永紅

(1 中北大學儀器科學與動態測試教育部重點實驗室,太原 030051;

2 中北大學電子測試技術國家重點實驗室,太原 030051)

柱面微帶天線的分析與仿真*

崔麗麗1,2,王 偉1,2,馬鐵華1,2,丁永紅1,2

(1 中北大學儀器科學與動態測試教育部重點實驗室,太原 030051;

2 中北大學電子測試技術國家重點實驗室,太原 030051)

為研究微帶天線與安裝柱形殼體共形彎曲后工作性能變化,以平面微帶天線為基礎建模仿真了不同曲半徑的柱面微帶天線結構,將平面、不同曲半徑柱面的微帶天線仿真數據進行了詳細分析比較。結果表明:當平面微帶天線彎曲成柱面時,中心工作頻率和10dB帶寬均不會受到影響,但xz和yz截面上的增益會受到影響。由此得到矩形微帶天線在不同曲半徑柱面下工作性能的優劣,為曲面微帶天線的研究和實用化設計提供了準確的理論與仿真依據。

柱面;共形微帶天線;HFSS建模仿真

0 引言

微帶天線憑借體積小、重量輕、剖面薄、易共形、方向性好、探測精度高等優點,已經在通信、導航、制導、引信等方面獲得了廣泛應用[1]。然而曲面共形微帶天線具有不額外占用空間、不引入任何附加空氣動力阻力、對飛行姿態影響小等優點,使得它在高速運動的物體上,例如火箭、衛星、導彈和各種飛行器等有廣闊的應用前景[2]。導彈等各種飛行器在飛行過程中姿態變化大、運動速度快,天線單元必須采用易于共形的輻射單元[3]。所謂共形天線,可以定義為非平面天線,要求天線單元直接平鑲在非平面的表面上。所以共形表面的存在對天線的輻射特性有著重要的影響。因此,分析曲面共形微帶天線的電磁輻射特性顯得十分重要[4]。

現階段研究曲面微帶天線性能大多采用數值計算方法,且分析的大多是不同材料的介質基片對曲面微帶天線的影響,目前研究彎曲程度對天線的影響較少。文中將對平面微帶天線與不同曲半徑的柱面微帶天線性能進行分析比較,為曲面微帶天線的研究和實用化設計提供準確的理論與仿真依據。

1 微帶天線的分析

1.1 矩形微帶貼片天線的工作原理

矩形微帶天線采用傳輸線模型分析方法介紹它的輻射原理。如圖1所示,矩形微帶貼片尺寸為a×b,基片厚度h?λ。該貼片可看成寬度為a、長為b的一段微帶傳輸線。沿長度b方向的終端呈現開路,因而形成電壓波腹,即貼片與接地板之間內場的電場強度|E|最大。一般取b=λm/2,λm是微帶線上波長。于是b邊另一端也是電壓波腹。天線的輻射主要就由貼片與地板間沿這兩端的a邊縫隙形成,兩個a邊稱為輻射邊。于是矩形貼片可表示為相距b的兩條具有復導納Gs+jBs的縫隙。其等效電路如圖2所示[5]。

圖1 矩形微帶天線結構

圖2 等效電路圖

將兩條縫隙的輻射場疊加,便得到天線的總輻射場。由等效原理知,窄縫上電場的輻射可等效為面磁流的輻射。貼片與地板窄縫上的電場分布如圖3所示,即:

因而等效的面磁流密度為:

1)y=0處a邊縫隙:

2)y=b處a邊縫隙:

圖3 貼片與地板窄縫上的電場分布圖

1.2 輻射貼片的尺寸估算

假設介質的介電常數為εr,對于工作頻率f的矩形微帶天線,輻射貼片的寬度a可表示為:

(1)

(2)

式中:εe為有效介電常數;Δb為等效輻射縫隙長度。可由下式計算[6]:

2 建模與仿真

2.1 平面微帶天線

設計的微帶天線采用FR4環氧樹脂板,厚度為1.6 mm,介電常數εr=4.4,中心工作頻率為2.45 GHz。根據上面的分析與計算,并且經過仿真優化,最終確定設計的平面矩形微帶天線具體尺寸如下:

輻射貼片寬度:a=37.26 mm

輻射貼片長度:b=28 mm

有效介電常數:εe=3.73

等效縫隙寬度:Δb=0.75 mm

應用仿真軟件HFSS建立的平面微帶天線立體圖如圖4所示。

圖4 平面矩形微帶天線立體圖

仿真得到的S11掃頻分析結果和天線在xz和yz截面上的增益方向圖如圖5、圖6所示。

圖5 平面微帶天線S11掃頻分析結果

圖6 平面微帶天線在xz和yz截面上的增益方向圖

2.2 柱面微帶天線

這里曲面天線結構的設計和平面天線結構一樣[7],把2.1節設計的平面微帶天線彎曲成柱面,變成柱面微帶天線。曲半徑分別為100 mm、50 mm以及25 mm,其他參數與2.1節的平面微帶天線完全相同,應用仿真軟件HFSS分別建立模型,圖7為柱面微帶天線立體圖。

圖7 柱面矩形微帶天線立體圖

1)曲半徑R=100 mm時,仿真得到的S11掃頻分析結果和天線在xz和yz截面上的增益方向圖如圖8、圖9所示。

圖8 曲半徑為100 mm時微帶天線S11掃頻分析結果

圖9 曲半徑為100 mm時微帶天線在xz和yz截面上的增益方向圖

2)曲半徑R=50 mm時,仿真得到的S11掃頻分析結果和天線在xz和yz截面上的增益方向圖如圖10、圖11所示。

圖10 曲半徑為50 mm時微帶天線S11掃頻分析結果

圖11 曲半徑為50 mm時微帶天線在xz和yz截面上的增益方向圖

3)曲半徑R=25 mm時,仿真得到的S11掃頻分析結果和天線在xz和yz截面上的增益方向圖如圖12、圖13所示。

圖12 曲半徑為50 mm時微帶天線S11掃頻分析結果

圖13 曲半徑為50 mm時微帶天線在xz和yz截面上的增益方向圖

3 分析比較

由以上所述可得3種情況下的微帶天線仿真結果如表1所示。

從表1可以清楚地看出,是曲面,中心工作頻率都與設計的工作頻率較吻合,且不會受彎曲影響。矩形微帶天線的10dB帶寬均約為2.86%(2.40～2.47GHz),因此,天線帶寬也不會受曲面彎曲的影響。但是,當微帶天線為平面時,增益效果最好。

無論微帶天線為平面還

從增益方向圖可以看出,當天線彎曲時,在xz和yz截面上的增益均受到影響。φ=0°曲線表示xz截面增益,會隨著曲半徑減小而變大;φ=90°曲線表示yz截面增益,也會隨著曲半徑減小而變大。4種情況下,xz截面上的增益均比yz截面上的增益大。

4 結論

文中對平面矩形微帶貼片天線,以及將該平面微帶天線進行不同程度的彎曲的柱面微帶天線進行建模仿真,將結果進行詳細比較分析。得到矩形微帶天線在不同曲半徑柱面下工作性能的變化,為曲面微帶天線的研究和實用化設計提供準確的理論與仿真依據。

[1] 胡志慧, 姜永華, 李娜, 等. Ka波段寬帶圓極化微帶天線單元及陣列設計 [J]. 彈箭與制導學報, 2013, 33(2): 129-132.

[2] 袁家德, 顧長青. 曲面微帶天線電磁散射特性分析 [J]. 系統工程與電子技術, 2010, 32(11): 2322-2324.

[3] 周旭冉, 高寶建, 伍捍東, 等. 彈載共形遙測天線的設計 [J]. 電子技術應用, 2013, 39(1): 62-64.

[4] 姜宇, 肖鴻, 劉興鵬, 等. 共面波導寬頻帶微帶縫隙天線的設計與分析 [J]. 哈爾濱工程大學學報, 2009, 30(10): 1180-1184.

[5] 鐘順時. 天線理論與技術 [M]. 北京: 電子工業出版社, 2011: 264-265.

[6] 楊虹, 陳威, 鄭雨薇. EBG結構磁性材料微帶天線的研究與設計 [J]. 壓電與聲光, 2014(1): 128-131.

[7] 劉濤, 曹祥玉, 張廣, 等. EBG結構在柱面共形微帶天線中的應用 [J]. 彈箭與制導學報, 2007, 27(3): 229-230.

Analysis and Simulation of Microstrip Antenna Mounted Curved Surface

CUI Lili1,2,WANG Wei1,2,MA Tiehua1,2,DING Yonghong1,2

(1 Key Laboratory of Instrumentation Science Dynamic Measurement (North University of China), Ministry of Education, Taiyuan 030051 China; 2 National Key Laboratory of Electronic Measurement Technology, North University of China, Taiyuan 030051 China)

In order to research the working performance changes of the microstrip antenna after bending with the conformal cylindrical structure, based on the planar microstrip antenna, modeling and simulation of the different curved radius cylindrical microstrip antenna, making a detailed analysis and comparison of the simulation data of the planar and different curved radius cylindrical microstrip antenna. Simulation results indicate when the planar microstrip antenna is curved, the working center frequency and 10 dB bandwidth is not affected, but the gain of ax and is section is affectedh. hereby obtaining the performance of rectangular microstrip antenna under different radius of the cylindrical. It prevides accurate theoretical and simulation foundation for the study and practical design of a curved surface microstrip antenna.

curved surface; conformal microstrip antenna; HFSS modeling and simulation

2014-03-03

崔麗麗(1989-),女,吉林敦化人,碩士研究生,研究方向:動態測試與智能儀器。

TN823

A