一種寬波束矩形單極天線的設計

創新者:歐仁俠 陳洪斌 鮑 捷

一種寬波束矩形單極天線的設計

創新者:歐仁俠 陳洪斌 鮑 捷

設計加工了一種具有寬波束特性的矩形單極天線。該天線為矩形平面單極天線，通過共面波導方式進行饋電。利用HFSS對平面天線仿真優化，對天線的阻抗特性和輻射特性進行分析，仿真結果表明，天線在寬頻帶內實現低仰角，方位面能偶全向掃描，阻抗帶寬7.3～12.6GHz，最大增益可達4.1dB，輻射穩定性好，可用于機載天線的共形單元。

由于通信系統與雷達技術的飛速發展，對機載天線提出了更高的要求，除了寬波束掃描外，還要求具有寬帶特性，即在俯仰面具備一定的波束掃描范圍，在方位面能夠全向輻射，工作頻帶內具備穩定的方向性和天線增益，工作頻帶內足夠小的回波損耗。對于機載天線，關注的焦點是天線波束對空間的覆蓋，對增益要求不高，波束的范圍內達到0dB或-2dB即可，一般要求它的方向圖在水平面全向，在垂直面具有一定的波束寬度。矩形單極天線、螺旋天線、正旋天線以及橢圓形、半橢圓形的單極子天線已被證明具有一定的寬波束特性，但是螺旋天線和正旋天線設計加工復雜，而采用共面波導饋電的矩形單極天線能夠滿足上述要求，而且具有良好的電磁兼容性、不易被電磁環境干擾，這些優點使其在航空、雷達、制導等領域得到了廣泛的應用。本文設計的天線工作頻段較寬，該天線為一矩形平面單極天線，通過共面波導進行饋電。通過HFSS軟件進行仿真，分析了天線的阻抗與輻射特性，達到了設計要求。

平面天線結構設計與仿真

使用HFSS軟件進行優化設計，天線的主要結構參數大小如表1所示。

表1 平面單極天線的參數值（單位:mm）

圖2為平面單極天線的反射系數曲線，由圖可看出，在7.8GH和9.9GHz附近獲得了良好的諧振特性，出現的最大反射系數頻點為11.9GHz，其值為-10.5dB，說明在工作頻帶內阻抗匹配良好，滿足天線的寬頻帶寬波束要求。

圖1 天線結構示意圖

圖2 平面單極天線的S11曲線

圖3 平面單極天線的增益方向圖

在諧振點f=7.8GHz，f=9.9GHz和高頻f=11.9GHz處的E面和H面方向圖如圖3所示。從圖中可以看出，方向圖關于主軸z軸近似是對稱的，且E面表現為“8”型，在±Z方向上輻射最弱，在±X方向上輻射最強，f=7.8GHz時，E面最大增益為1.4dB，0dB波束寬度約為120°。f=9.9GHz時，E面最大增益是2.4dB。f=11.9GHz時，E面最大增益是3.7dB。H面可以看做全向輻射。f=7.8GHz時，H面最大增益為3.8dB，0dB波束寬度大概為135°，最大輻射方向偏離主軸30°。f=9.9GHz時，H面最大增益為0.5dB，最大輻射方向偏離主軸30°。f=11.9GHz時，H面最大增益是1.8dB，最大輻射方向偏離主軸35°。在工作頻段內，天線輻射穩定，滿足設計指標。

測試結果分析

根據仿真結果，加工了天線，如圖4所示。測得的S11曲線如圖5所示。由圖可看出，天線阻抗帶寬在7.3～12.6GHz范圍內在S11≤-10dB，阻抗帶寬較寬，S11在工作頻段內下陷深度加大。與仿真曲線相比，天線的絕對帶寬為5.3GHz，低頻端的帶寬有所提高，實測的諧振點分別為8.5GHz、11.8GHz、12.9GHz，與仿真結果相比諧振點向右偏移，主要是由加工誤差和焊接SMA接頭引起的，天線滿足寬頻帶寬波束的要求。諧振點的增益方向圖如圖6所示。可見，天線的輻射方向圖較好，由于高頻波瓣惡化嚴重，可用頻段覆蓋7.3～12.6GHz。

圖4 加工制作的平面天線

圖5 實測天線的回波損耗曲線

圖6 實測平面單極天線的增益方向圖

結語

設計仿真了一種寬頻帶平面單極天線，饋電方式采用共面波導。在寬頻段內輻射特性穩定，在垂直面1.4dB波束寬度達到120°，在水平面內實現全向掃描，阻抗帶寬為7.3～12.6GHz，最大增益可達4.1dB，輻射特性穩定。

歐仁俠 陳洪斌 鮑 捷

吉林醫藥學院公共衛生學院

歐仁俠（1980-）女（漢），吉林農安人，講師，碩士，研究方向為電子技術及安全管理；陳洪斌（1973-）男（漢），吉林白城人，副教授，碩士，研究方向為電子技術；鮑捷（1981-）女（漢），吉林吉林人，講師，碩士，研究方向為電子學。

10.3969/j.issn.1001-8972.2015.07.001