一種X波段低剖面微帶天線陣列設計

楊佳妮

摘要：文章設計了一種用于指定圓柱形設備的微帶天線陣，微帶天線體積小、低剖面、易共形、易集成、成本低，適合批量生產。文章在HFSS仿真設計環境里對天線進行了物理建模，該微帶陣列天線電性能良好，易于在工程上實現。

關鍵詞：X波段；圓柱形天線；微帶陣列天線

1 天線概述

在一些應用場合要求天線具有在有限的安裝空間以及低剖面，特定的電氣指標等的能力，同時不改變平臺的氣動外形以及飛行性能[1]。而微帶天線具有體積小、質量輕、剖面薄、易集成和易與載體共形的優點，適合規模化批量生產，可以有效地降低系統成本。

本文的微帶陣列天線使用一種柔性介質板加工制作，實現了圓柱形平臺天線的共形需求，滿足了特定方向的增益要求。天線設計采用1×16微帶天線陣，采用功分網絡饋電，實現了在X波段內良好的駐波以及彈體的前向、后向指定覆蓋范圍的輻射方向圖。

2 天線設計

2.1 天線單元的尺寸計算

如圖1所示，用傳輸線模分析法討論矩形微帶，將天線視為一段長L兩端開路低阻抗微帶傳輸線。等效為無限大平面上相同激勵的兩個縫隙[2]，縫寬△L，相距L=λg/2。根據理論公式可得貼片尺寸

，貼片長度L理論上取值λg/2，但是由于受到邊緣場的影響，在設計L的尺寸上應該從λg/2中減去2△L，其中c為真空中的光速，諧振頻率f，εr為介質板介電常數，λg為工作波長。

2.2天線單元的仿真設計

HFSS軟件對天線單元進行仿真，根據所采用的柔性印制板的參數以及單元天線工作中心頻率，可以得到天線的原始尺寸W，L。矩形微帶貼片天線在HFSS中的仿真模型如圖2所示。通過軟件對天線進行優化仿真，最終的到滿足設計要求的單元貼片尺寸為：W0=13 mm，W1=6 mm，W2=1.4 mm，L0=10.2 mm，L1=2 mm。該貼片在工作頻帶內：S11<-1O dB，駐波VSWR<2，如圖3所示。天線最大輻射方向的增益>7 dB，如圖4所示。

3.3 饋電網絡設計

設計饋電網絡如圖5所示，使天線單元得到等幅同相的激勵，采用并聯饋電方式使功分器組成多級網絡[3]。

3.4 微帶天線陣列設計

這里采用16個單元天線組成1×16的線陣，并且改變單元天線的放置方向，達到指向方向范圍的輻射要求，設計功分網絡來給天線陣列饋電。

結合裝配以及天線尺寸要求，綜合考慮取一定的單元間距進行仿真。饋線的長度和寬度的初始值由TXLINE軟件計算得出，然后在HFSS軟件中優化。微帶陣列天線與功分網絡整體仿真結構如圖6所示。

圖7為微帶天線陣列的駐波結果，在工作頻帶內天線陣列-1O dB，電壓駐波比在工作頻帶內VSWR<2；圖8為輻射方向圖，實現了后向的指定角度范圍內G≥-15 dB，以及前向指定角度范圍內的增益要求。

4 結語

本文利用HFSS軟件對一種低剖面微帶陣列天線進行了研究和設計。設計了1×16的微帶陣列天線及功分網絡，設計結果表明，在X波段的一定頻段內，該陣列天線的電壓駐波比小于2，指定方向的輻射特性滿足設計要求，適用于批量的生產。

[參考文獻]

[1]林濤.彈載超寬帶天線設計與仿真研究[D].哈爾濱：哈爾濱工業大學，2016

[2]郭婧.K波段微帶陣列天線技術研究[D].成都：電子科技大學，2015.

[3]楊亞兵，趙迎超，李緒平，等.一種寬帶低副瓣微帶陣列天線的設計[J].火控雷達技術，2015（4）：84-87.