一種C波段彈載共形微帶天線陣列設計

徐亞偉，郝 汀，蔣智辰

(中國船舶重工集團公司第723研究所，揚州 225001)

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一種C波段彈載共形微帶天線陣列設計

徐亞偉，郝 汀，蔣智辰

(中國船舶重工集團公司第723研究所，揚州 225001)

提出了一種用于彈載設備的圓柱形天線陣設計，并進行了仿真，選用一種新型高增益微帶天線作為天線陣元。該天線具有良好的駐波比和波束掃描能力，既可用于彈載設備，也可用于地面系統，不會因為共形設計導致天線增益惡化。

微帶天線陣；共形天線；彈載天線

0 引 言

在航空航天領域，由于要考慮到空氣動力學的問題，因此常常要求天線具有共形特性。而微帶天線由于其造價低廉、體積小、易加工、易集成、易共形等優點，被廣泛應用于航天、通信等行業。但微帶天線也具有帶寬較窄以及單個陣元增益低等缺點[1-4]。

為了克服微帶天線的缺點，科研人員進行了很多研究，并取得了很大進展。拓寬微帶天線頻帶的方法有很多，如增大介質層厚度、附加寄生貼片、天線加載等，但這些方法往往是以降低天線增益為代價的[5-7]。而為了提高天線增益，可以對微帶天線進行組陣。本文首先提出了一種新型微帶天線，為了提高天線增益，對其進行組陣設計，用HFSS軟件對其進行了仿真。考慮到共形因素，本文仿真了與半徑為80cm和40cm的彈體共形的天線陣方向圖。仿真結果表明，天線陣具有良好的駐波比，增益高且不會因為共形設計導致天線增益惡化。

1 天線陣元設計

微帶天線陣元示意圖如圖1所示。天線陣元為正方形貼片，因此諧振長度為：

(1)

式中：εr=2.2，為天線的介電常數；fr為天線的諧振頻率。

基片尺寸W=L=50mm，基片高h=3mm；方形貼片尺寸a=b=20mm。為與50Ω諧振電阻匹配，由公式：

(2)

可以算出饋電點在貼片的對角線上距離邊線7.5mm處。為了提高天線增益，在高于貼片四周加載3個高1mm的方形環金屬片。若是增加四周基片的厚度，可以擴展天線頻帶寬度，但同時也增加了表面波。金屬環片周期性的分布可以極大地抑制表面波，從而使天線向空間輻射的電磁波增多，進一步改善天線增益。方形金屬環厚度m=1.5mm，尺寸分別為d1=28mm，d2=36mm，d3=44mm；環間間距相等，均為s=2.5mm。詳細參數設計見參考文獻[8]。

圖1 天線陣元模型示意圖

使用Ansoft公司的HFSS軟件對天線單元進行仿真，得到的單元天線S11仿真曲線如圖2所示。從圖2可以看到天線單元的諧振頻率為4.3GHz，而S11<-10dB對應的范圍為4.25～4.45GHz。圖3為天線單元仿真的天線增益方向圖，可以看到天線單元的最大增益為7.55dB，3dB波束寬度為86°。

圖2 仿真天線單元S11曲線

圖3 天線單元方向圖仿真

2 天線陣設計及仿真

將上述微帶天線單元以線陣形式排列，組成七單元的微帶天線陣，示意圖見圖4。使用HFSS軟件仿真了7個微帶天線單元在同一平面時的天線方向圖，其性能如圖5所示。可以看到七單元平面微帶天線陣的最大增益在法線方向，增益為13.91dB，比單個天線單元提高了6dB，第一副瓣幅度為11dB，且3dB波束寬度只有6°。

圖4 七單元微帶天線陣

圖5 平面天線陣方向圖仿真

由于航空航天領域的載體主要為柱體，因此仿真了微帶天線陣與半徑分別為80cm和40cm的圓柱形彈體共形時的天線方向圖，其性能如圖6(a)和圖6(b)所示。從圖中可以看到，在彈體半徑為80cm時，天線最大增益為13.61dB，波束寬帶為6.5°，第一副瓣幅度為10.3dB；在彈體半徑為40cm時，天線最大增益方向變為±22.5°，最大增益為10.9dB。

圖6 共形天線陣方向圖

表1為平面線陣與2個共形天線陣的仿真結果比較，從表中可以看到，隨著共形載體的半徑變小，天線陣的最大增益會隨之變小，并且最大增益方向會發生變化。但在共形載體半徑為80cm時，天線陣的最大增益并沒有明顯下降，且最大增益方向并沒有改變。說明在一定范圍內，將天線陣與載體共形是可行的。

3 結束語

本文設計并仿真了一種新型微帶天線的平面線陣及與彈體共形后的天線陣列，并對其進行了分析。從天線陣的仿真結果來看，對該微帶天線進行組陣設計可以有效地提高天線增益，并且在與彈體共形后并不會造成天線增益的明顯下降，證明本文論述的設計方法具有一定的實用價值，既可用于彈載設備，也可應用于地面系統。

[1] 商遠波，于曉樂，張福順，焦永昌，吳蘊軒.C波段高增益圓極化微帶天線陣的研制[J].微波學報，2006(6):69-72.

[2]LAIHW，LIPKM.Widebandsmallpatchantenna[J].ElectronicsLetters，2003，39(8)：641-642．

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[4]PORATHR.Theoryofminiaturizedshorting-postmicrostripantennas[J].IEEETransactionsonAntennasPropagation，2000,48(1)：41-47.

[5]KARAHANM，AKSOYE，DEMETS,SAHINKAYAA.DesignofwidebandconformalantennaarrayatX-bandforsatelliteapplications[C]//IEEE，AntennasandPropagationSocietyInternationalSymposium.VancouverBritishColumbia,Canada,2015：397-400.

[6] 鐘順時.微帶天線理論與應用[M].西安:西安電子科技大學出版社,1991.

[7] 孟一波.X波段寬帶微帶天線陣設計與分析[D].南京：南京理工大學，2006.

[8] 梁斌，楊娜.一種新型高增益微帶天線[J].數字通信，2009(10):62-64.

DesignofAMissile-borneConformalMicrostripAntennaArrayatCBand

XUYa-wei,HAOTing,JIANGZhi-chen

(The723InstituteofCSIC,Yangzhou225001,China)

Thispaperproposesacolumniformantennaarraydesignformissile-borneequipment,andperformsthesimulation,usesanewhigh-gainmicrostripantennaastheantennaelement.Theantennaisofgoodstanding-waveratio(SWR)andbeamscanningcapability,notonlycanbeappliedtomissile-borneequipments,butalsocanbeusedforgroundsystems.Theconformaldesignwillnotmaketheantennagaindeteriorate.

microstripantennaarray;conformalantenna;missle-borneantenna

2016-06-24

TN

A

CN32-1413(2016)05-0067-03

10.16426/j.cnki.jcdzdk.2016.05.017