大曲率柱面共形天線的對比研究

周志鵬，劉 軍

（沈陽理工大學，遼寧 沈陽 110159）

0 引 言

共形天線是可以與安裝表面共形且不影響安裝表面的氣動外形的一類天線，廣泛應用于各類飛行器表面[1-3]。微帶天線具有低剖面的特點，具有共形的天然優勢，是共形天線的首選，因此在共形場景下得到了廣泛的應用[4]。而柱面是應用最多的共形曲面，因此對柱面共形天線的分析具有廣泛的代表性。圓柱的曲率與其半徑成反比，大曲率柱面即圓柱的半徑較小。當圓柱的半徑與微帶天線的諧振波長相當時，可以忽略柱面曲率對天線的影響，而當柱面的曲率增大時，微帶共形天線的諧振頻率會隨著曲率的增大而減小，而且會改變天線的輸入阻抗，使其回波損耗增大[5,6]。同時，在實際加工過程中，介質基板有不易彎曲的特性，這也加大了大曲率微帶共形天線的制作難度。柱面縫隙天線由平面開縫導體片天線演變而來，把平面導體片彎折成柱面后，就形成了柱面縫隙天線，因此其天然就與柱面共形。這種天線是由Andrew Alford提出的，與微帶天線相比，其不需要大面積的介質基板，沒有介質損耗，具有更高的輻射效率，更適合在大曲率表面做共形[7]。

本文通過對比微帶共形天線與柱面縫隙天線對曲率的敏感度，仿真驗證了曲率變化對微帶共形天線的影響更大，而柱面共形天線更適合在大曲率柱面上共形。

1 微帶共形天線

1.1 平面微帶天線

為了對比大曲率下微帶共形天線的效果，首先仿真了一個諧振頻率950 MHz的平面微帶天線，采用同軸線饋電，微帶天線仿真模型如圖1所示。其中介質基板采用了2 mm厚的FR4環氧樹脂，其相對介電常數εr=4.4。

圖1 微帶天線仿真模型

通過仿真得到了天線的S11參數，如圖2所示。圖2（a）的S11值在950 MHz頻點處小于-20 dB，達到了設計要求。而圖2（b）是在不改變天線尺寸直接在半徑為150 mm的柱面上直接做共形，直徑D=300 mm與諧振波長相當。從圖2中可以看出，共形后諧振點沒有產生大的偏移，且阻抗匹配良好。當共形柱面半徑較大時，對微帶天線的影響可以忽略。在小曲率柱面下，共形效果良好。

圖2 微帶天線的S11參數

1.2 曲率對微帶天線的影響

為了了解柱面曲率對的微帶天線的影響，本節將增大柱面的曲率，即減小共形柱面的半徑，而天線的尺寸及饋電方式都不改變。將柱面的半徑從150 mm依次遞減到130 mm和100 mm，得到曲率增大時的效果對比。這2個半徑下的仿真結果如圖3所示。由圖3（a）可以看到，當柱面半徑為130 mm時，天線的諧振頻點出現了偏移，其諧振頻點減小至930 MHz左右，而天線的阻抗沒有發生明顯的變化。當繼續增大柱面曲率，即半徑減小到100 mm，諧振頻點繼續向左偏移，減小到了770 MHz左右，并且在諧振頻點的S11參數大于-5 dB，說明天線的阻抗已經發生了大的變化，從而導致阻抗失配，進而使天線的回波損耗增大。

圖3 不同曲率下的S11參數

2 柱面縫隙天線

2.1 曲率對柱面縫隙天線的影響

因為柱面縫隙天線是由平面縫隙天線演化而來的，柱面縫隙天線演化如圖4所示。因此，其基本輻射機理與平面縫隙天線是相同的，都是通過縫隙向外輻射電磁波。而對于平面縫隙天線的分析，可以由巴比涅原理等效成與其互補的對稱陣子天線，可以大大簡化分析過程。而對于柱面縫隙天線的精確分析可以借助圓柱坐標系下麥克斯韋方程，并帶入相應的邊界條件，即可求得其輻射場。為了直觀地看出曲率對柱面縫隙天線的影響，對不同直徑的柱面縫隙天線進行了對比仿真。

圖4 柱面縫隙天線演化

其諧振頻率仍然設為950 MHz，故其波長λ≈316 mm，首先仿真直徑D=300 mm的柱面縫隙天線，然后在天線的縫隙尺寸不變的情況下，將柱面縫隙天線的直徑依次降到D=250 mm、D=200 mm和D=150 mm。不同直徑下柱面縫隙天線的 S11 參數如圖5所示。可以看到隨著柱面直徑的不斷減小，S11曲線變化的幅度很小，只是諧振頻點隨直徑的減小出現了小幅度的左移，而天線的回波損耗幾乎沒有變化。這表明柱面縫隙天線特性阻抗對曲率變化的敏感度較低。而在仿真中，看到微帶天線的特性阻抗隨曲率的變化有較為明顯的改變，導致阻抗失配。因此，相比微帶共形天線，柱面縫隙天線更適合在較大曲率的柱面上共形，而且沒有介質損耗，有更小的回波損耗。

圖5 不同直徑下柱面縫隙天線的S11參數

2.2 不同曲率對柱面縫隙天線的方向圖的影響

雖然曲率的變化對天線的特性阻抗影響不大，但圓柱體的大小對電磁波在空間中的傳播方向會有影響。因此，本節將對曲率對柱面縫隙天線的輻射方向圖進行對比分析。首先假設開縫圓柱面的直徑為D，饋源信號的波長為λ，為了更加直觀地對比分析不同曲率對其輻射方向圖的影響，針對不同曲率的開縫圓柱面分為3種情況進行對比分析，分別為D＞λ、D≈λ、D＜＜λ。使用電磁仿真軟件HFSS進行仿真分析，得到不同曲率下的輻射方向圖對比。

（1）當開縫圓柱面的曲率較小時，即D＞λ，中心頻率設置為950 MHz，根據波長與頻率的關系，λ≈31 cm。開縫圓柱面的直徑設為50 cm。圖6（a）為仿真得到的天線的XOY面方向圖。由天線的XOY面方向圖可以看出其主波束范圍約在-150°～-30°，其中輻射縫隙的位置在φ=0°，可以看出其輻射方向主要分布在縫隙的正面，而背面由于柱面的遮擋影響，其增益較小。

（2）當開縫圓柱面的曲率半徑與波長相當時，即D≈λ，波長λ仍為31 cm，而開縫圓柱面的直徑設置為30 cm。圖6（b）為D=30 cm時的E面方向圖，可以看到在開縫的方位處，即φ=0°的方位上增益減小，同時旁瓣和后瓣的增益在增大，說明當柱面直徑減小時，電磁波將可以繞射到圓柱面的側面和后面。相比于圖6（a），圖6（b）的方向性在下降，全向性在增加。

（3）當開縫圓柱面的曲率較大時，即D＜＜λ，波長的值不變，仍為λ=31 cm。令D=0.125λ，即D=38.75 mm進行仿真，結果如如圖6（c）所示。其XOY面方向圖接近一個圓形，與圖6（a）、圖6（b）相比具有明顯的全向特性。為更清楚表明這一特性，令柱面曲率更大，D=10 mm。如圖6（d）所示，其XOY面方向圖近乎一個完美的圓形。

圖6 不同曲率下的方向圖

以上的仿真結果表明，隨著柱面曲率的不斷增大，天線的輻射方向圖在垂直于開縫方向上趨近于全向性。因此當對天線對輻射方向有要求時，可以通過調整柱面的曲率改變天線的輻射方向。

3 仿真結果分析

由仿真曲率對微帶共形天線和柱面縫隙天線的影響，得到了微帶天線的特性阻抗更容易受柱面曲率的影響。在曲率較大時，微帶共形天線會產生阻抗失配，引起較大的回波損耗，而且會使諧振頻點有較大的偏移，導致天線達不到設計要求。柱面縫隙天線在曲率增大時，天線的特性阻抗變化較小，在曲率較大時也保持了良好的阻抗匹配。隨著曲率的增大，柱面縫隙天線在諧振頻點處的S11值都小于-25 dB，而因曲率的變化而引起的頻移也比較小。通過對比，柱面縫隙天線的特性阻抗對曲率變化的敏感度更低，更適合在大曲率柱面上做共形。同時，對柱面縫隙天線的方向性隨曲率的變化進行了分析。隨著曲率的增大，天線的定性性在減小，全向性在增加。在與輻射縫隙垂直的水平面上，其方向圖隨著曲率的增大，逐漸呈現一個圓形，表明隨著曲率的增大，在水平面上具有全向輻射特性。

4 結 論

通過分析，微帶共形天線適合在小曲率柱面上共形，而柱面縫隙天線對曲率變化的敏感度更低，在曲率較大的曲面上，柱面縫隙天線更適合做共形。曲率對柱面縫隙天線的影響主要體現在對輻射場分布的影響，隨著曲率的增大，其在水平方向的波瓣圖將趨近于圓形。