Ka波段4×4圓錐共形微帶天線陣列設(shè)計

1、第二部分微波毫米波天線與散射311Ka波段4 >4圓錐共形微帶天線陣列設(shè)計劉敏馮子睿孫鳳林吳群哈爾濱工業(yè)大學(xué)電子信息技術(shù)研究院摘要：本文設(shè)計了一種中心頻率為 35GHz，與理想導(dǎo)體圓錐共形的4>4微帶 天線陣列。采用一種不同于傳統(tǒng)的微帶饋電方式一一底邊饋電（HFM ）設(shè)計矩形微帶貼片單元，利用該單元構(gòu)成錐面共形微帶陣列，并討論了圓錐曲率對共形天線 陣列輻射性能的影響。最后用 CST有限積分電磁仿真軟件對該設(shè)計進行了驗證。 關(guān)鍵字：毫米波，圓錐共形，微帶天線，底邊饋電，圓錐曲率4 >4 Ka-ba nd Conical Con formalMicrostrip ArrayMin

2、 Liu, Zi-Rui Feng, Fe ng-lin Su n,Qun WuHarbin In stitute of Tech no logyAbstract: Desig n of a 35GHz con formal microstrip patch antenna 44 eleme nts>array on a perfectly con duct ing cone is prese nted. A new ki nd of microstrip feed approach, which is hemli ne feed method （HFM, is used to desi

3、g n the patch eleme nt. And this ki nd of eleme nts is used for formi ng the con formal microstrip array. The in flue nee of the coni cal curvature on the radiati on features of the con formal antenna array is discussed. Simulatio ns by the CST MICROWAVE STUDIO are give n to verify this prese nt des

4、ig n. Key Words: millimeter wave, con formal array, microstrip antenna, HFM, coni cal curvature1引言現(xiàn)代軍事裝備高新技術(shù)應(yīng)用不斷增多，機載、星載及各類武器系統(tǒng)所需要的電 子組件部件向著短、小、輕、薄、高可靠性、高速度的方向快速發(fā)展。在性能方 面，迫切需要電磁兼容性好、不易受電子干擾、雷達(dá)散射截面（RCS小、具有隱身/反隱身特性的高性能陣列天線1。尤其作為毫米波制導(dǎo)技術(shù)的一個重要發(fā)展方向，能夠與載體共形的天線系統(tǒng) 即共形天線的研究近年來日益得到重視，它不僅可以提供原來所需要的天線性能， 而且不影響載體

5、本身的機動特性。由于共形微帶天線具有不額外占用空間和對飛行 姿態(tài)影響基金項目：航空科學(xué)基金資助項目（項目批準(zhǔn)號：20060112105）、CAST創(chuàng)新基金資助項目（CAST200610）、哈爾濱工業(yè)大學(xué)跨學(xué)科交叉性研究基金資助項目。小等優(yōu)點，其在航空、制導(dǎo)等領(lǐng)域具有很大的吸引力，因此對共形相控陣微帶 天線的研究具有重要的工程價值和國防意義2。但是共形微帶天線的設(shè)計與分析 還存在諸多困難：載體（尤其是金屬載體）的曲率會影響天線的性能，大部分的計 算方法處理共形天線時顯得繁瑣且耗時長，尤其在毫米波頻段天線陣元的間距非常 小，陣元布局不合理或者尺寸的稍微偏差等問題將會對天線性能造成極大的影響， 為了

6、保證設(shè)計結(jié)果的精度，這個問題就更顯得突出。因此在毫米波段下設(shè)計共形天 線陣是具有挑戰(zhàn)性的課題?；谏鲜隹紤]，本文設(shè)計了一種工作在 35GHz，與理想導(dǎo)體圓錐共形的4M 微帶天線陣列。該陣列的微帶貼片單元均采用底邊饋電方式（HFM ），同時采用并饋方式對整個陣列進行饋電。對不同圓錐半徑下陣列輻射性能的異同進行了對 比，并通過電磁仿真軟件 CST對各種性能進行了仿真，仿真結(jié)果驗證了該設(shè) 計的合理性和正確性。2007年全國微波毫米波會議論文集3122平面結(jié)構(gòu)設(shè)計與仿真A.底邊饋電方式（HFM ）傳統(tǒng)的微帶天線饋電包括中心饋電和側(cè)邊饋電等方式，而本文采用底邊饋電方 式（HFM ）對微帶貼片單元進行饋電

7、。HFM的原理可用圖1所示的微帶貼片單元 來說明。由于在諧振邊饋電阻斷了貼片部分的輻射，饋線和貼片的接觸導(dǎo)致了輻射的降 低，這一點在毫米波段上表現(xiàn)的尤為突出，所以設(shè)計中采用了非諧振邊饋電方式 3。再加上天線工作在35GHz，50?的饋線寬度與貼片尺寸相比太寬，對天線的 輻射影響較大，且不利于天線陣饋電網(wǎng)絡(luò)的設(shè)計，所以設(shè)計中我們將貼片單元與 100?的饋線進行匹配。由于饋線的位置被固定在非諧振邊的最底端，因此天線的 諧振頻率只與貼片的長和寬密切相關(guān)，設(shè)計中需要反復(fù)調(diào)整貼片的長和寬使天線性 能達(dá)到最優(yōu)。最后得到天線性能較好的結(jié)構(gòu)模型如圖1所示，具體參數(shù)如表1所示，表中£為介質(zhì)板的介電常數(shù)

8、，H、L 1、W 1分別為其厚度、長度和寬度，而 L 2、W 2分別為貼片單元的長度和寬度， W 3為100?饋線的寬度。W3圖1底邊饋電示意圖表1平面貼片單兀結(jié)構(gòu)參數(shù)£丫（mm 1 （mm 1 （mm 2 （mm 2 （mm 3（mm 2.20.35.566.32.563.30.274貼片單元的仿真結(jié)果如圖2所示。圖2中，（a）為該單元的S 11圖，（b ） 為VSWR圖，（c ）為二維遠(yuǎn)場方向圖。從仿真結(jié)果可以看出，天線的諧振頻率 正好在35GHz，天線的帶寬（VSWR=2）達(dá)到了 2.03GHz，天線的增益達(dá)到了 7.3dB。（a貼片單元的S（b貼片單元的VSWR（C二維遠(yuǎn)場方

9、向圖 圖2底邊饋電單元的仿真結(jié)果B平面4 >4陣列饋電網(wǎng)絡(luò)設(shè)計微帶天線陣有各種不同的饋電方式，主要包括串饋、并饋、反射陣面饋電和喇 叭饋電等。由于并聯(lián)饋電方式具有設(shè)計比較簡單、各元所要求的激勵振幅和相位可以通過設(shè)計饋電網(wǎng) 絡(luò)來實現(xiàn)、容易實現(xiàn)寬頻帶等優(yōu)點，設(shè)計中我們選擇該方式設(shè)計饋電網(wǎng)絡(luò)。又由于 T型結(jié)功分器具有結(jié)構(gòu)簡單、占據(jù)空間小、容易實現(xiàn)不等功分等優(yōu)點，設(shè)計中我們 采用T型結(jié)功分器構(gòu)成并聯(lián)饋電網(wǎng)絡(luò)?；谝陨戏治龊颓懊嬖O(shè)計的底邊饋電單元，我們設(shè)計了一個平面4M陣列的饋電網(wǎng)絡(luò)，如圖3所示。第二部分微波毫米波天線與散射圖3平面4X4陣列的饋電網(wǎng)絡(luò)圖3中，各陣元間距為0.5入0（入（為自由空間

10、波長），饋電網(wǎng)絡(luò)中的三種饋線 寬度分別為0.274mm、0.54mm和0.96mm，對應(yīng)的阻抗分別為100?、70.7?和 50?。該平面4X4陣列的仿真結(jié)果如圖4所示。圖4中，（a）為該單元的S 11圖，（b ）為VSWR圖，（c ）為二維遠(yuǎn)場方 向圖。從仿真結(jié)果可以看出，天線的諧振頻率正好在35GHz，天線的帶寬（VSWR=2）約為0.96GHz，天線的增益達(dá)到了 20.5dB，副瓣電平為-13.5 dB。（a 4車陣列的S 11（b 4 4陣列的VSWR（C二維遠(yuǎn)場方向圖 圖4平面4 >4陣列的仿真結(jié)果3錐面結(jié)構(gòu)設(shè)計與仿真A. 理想導(dǎo)體圓錐由于圓錐與機體和導(dǎo)彈頭等結(jié)構(gòu)形狀吻合，其在

11、共形天線系統(tǒng)里具有重要的應(yīng) 用價值4?？紤]到圓錐導(dǎo)體的有效性和實踐性，設(shè)計中我們選擇圓錐的底面半徑r為100mm，高h(yuǎn)為r的兩倍，即h=200mm,圓錐的頂角9 t =53.13,圓錐的介質(zhì)為理想導(dǎo)體（PEC ），其具體結(jié)構(gòu)見圖5所示。B. 錐面共形4>4陣列設(shè)計鑒于錐面共形陣列具有掃面波束寬、雷達(dá)散射截面（RCS低等良好空氣動力學(xué)性能，其在飛機、火箭和導(dǎo)彈導(dǎo)引頭等各種飛行器載體上具有廣泛的應(yīng)用價值 ?；谇懊嬖O(shè)計的平面4>4陣列和理想導(dǎo)體圓錐，我們設(shè)計了一個錐面共形444 陣列，其結(jié)構(gòu)示意圖如圖6所示。由于圓錐頂部的繞射效應(yīng)對共形陣列的輻射性能影響較大，設(shè)計中我們盡量將4M陣列放

12、置在圓錐底部，該陣列的仿真結(jié)果如圖7所示。圖5理想導(dǎo)體圓錐模型 圖6錐面共形4M陣列圖7中，（a）為錐面共形陣列的S 11圖，（b ）為VSWR圖，（c ）為二維 遠(yuǎn)場方向圖。從仿真結(jié)果可以看出，天線的諧振頻率正好在35GHz，天線的帶寬（VSWR=2）約為1.27GHz，天線的增益達(dá)到了 20.19dB，副瓣電平為-12.5 dB。（a 4車陣列的S112007年全國微波毫米波會議論文集314(b 4 4陣列的VSWR(c二維遠(yuǎn)場方向圖 圖7錐面4 M陣列的仿真結(jié)果對比平面4M陣列和共形4M陣列的仿真結(jié)果，我們可以看到它們之間的異 同：兩者的中心頻率均為35GHz，兩者的S 11在諧振頻率上

13、的dB值基本相同， 兩者的VSWR=2即-10 dB帶寬差異較大，平面陣列的帶寬為 0.96GHz，共形陣列 的帶寬增大到1.27GHz，兩者的增益和副瓣電平也有差異，平面的分別為20.5 dB和-13.5 dB,而共形的分別為20.19 dB和-12.5 dB,可見共形后增益有所降低而副 瓣電平卻增大了。4圓錐曲率對共形陣列輻射性能的影響在設(shè)計中，我們討論了圓錐曲率的影響。為了對圓錐曲率進行精確研究，除了 圓錐半徑外，其它參數(shù)均嚴(yán)格保持不變。此外，為了更好的研究該規(guī)律，我們對圓 錐半徑進行不等間距取值，為別為 40mm，50mm，80mm和100mm，仿真結(jié)果 如圖8所示。(a)不同半徑的錐

14、面共形4X4陣列的S11(b )不同半徑的錐面共形4X4陣列的VSWR(c )不同半徑的錐面共形4X4陣列的二維遠(yuǎn)場方向圖 圖8不同半徑的錐面共 形4X4陣列的仿真結(jié)果從仿真結(jié)果可以看出，圓錐曲率對天線陣列的不同輻射性能有不同的影響，為 了更好的進行分析，我們將天線陣列的輻射性能參數(shù)列表如下：表2不同半徑的錐面共形4X4陣列的輻射特性r(mm 40 50 80 100 S 11 (dB -37.93 -33.9 -27.12 -31.41 0 BW(GHz 1.3965 1.3774 1.2827 1.2735 G(dB16.6618.2019.9520.19由上表數(shù)據(jù)我們可以得出如下結(jié)論：(

15、1)曲率對S 11的影響：當(dāng)圓錐半徑變化時，S 11在諧振頻率上的dB值做無規(guī)律的變化，但總體來 說，變化不是特別明顯；(2) 曲率對中心頻率(f 0)的影響:當(dāng)圓錐半徑變化時，中心頻率變化很小，相對于35GHz的工作頻率，這點微小的變化可以忽略不計；（3）曲率對VSWR=2即-10dB帶寬（BW ）的影響：當(dāng)圓錐半徑變化時，VSWR=2帶寬隨其變化，具體為半徑越大，帶寬越小，但相對于35GHz的中心頻率來說，總體影響不大；（4）曲率對二維遠(yuǎn)場方向圖的影響：當(dāng)圓錐半徑變化時，天線增益（G）變化較大。具體表現(xiàn)為半徑越大，增益越 高，第一副瓣電平變化第二部分微波毫米波天線與散射315不大。究其原因

16、可歸結(jié)為：半徑越大，圓錐面曲率越小，錐面就越接近平面， 而相同參數(shù)下平面陣列的增益比共形陣列的增益大，因而增益就越大。5結(jié)論本文介紹了一種新的微帶饋電方式一一底邊饋電（HFM ），基于該方式設(shè)計出平面4W陣列的并聯(lián)饋電網(wǎng)絡(luò)。利用該饋電網(wǎng)絡(luò)設(shè)計了一種工作在35GHz，與理想圓錐導(dǎo)體共形的4M微帶天線陣列，并將其性能與平面陣列進行了對比，結(jié) 果表明兩者的主要差異是共形后陣列的帶寬有所增大，而共形后陣列的增益略微減 小。最后研究了圓錐曲率對共形陣列輻射性能的影響，結(jié)果表明圓錐曲率對輻射性 能最大的影響是增益隨著半徑的增大而增大。CST電磁仿真結(jié)果驗證了該設(shè)計的 合理性和正確性。參考文獻1 Zhu Q

17、i, Bao Lia ng,“ Desig n of Microstrip Antenna withBroader Ban dwidth and Beam,2005 IEEE, PPB072 Mauricio San chezBarbetty, “ desig n and impleme ntati onof a tran sceiver and a microstrip corporate feed for splid state Xband radar 2006,pp.3-10,25-40.3畢佳明，金博識，楊彩田，吳群。毫米波段共形相控陣天線技術(shù)研究.2005全國毫米波會議論文集.深圳，2005: 2