Ka波段4 4圆锥共形微带天线阵列的设计

1、第二部分 微波毫米波天线与散射Ka波段4´4圆锥共形微带天线阵列设计刘敏 冯子睿 孙凤林 吴群哈尔滨工业大学电子信息技术研究院摘要：本文设计了一种中心频率为35GHz，与理想导体圆锥共形的4´4微带天线阵列。采用一种不同于传统的微带馈电方式底边馈电（HFM）设计矩形微带贴片单元，利用该单元构成锥面共形微带阵列，并讨论了圆锥曲率对共形天线阵列辐射性能的影响。最后用CST有限积分电磁仿真软件对该设计进行了验证。关键字：毫米波，圆锥共形，微带天线，底边馈电，圆锥曲率4×4 Ka-band Conical Conformal Microstrip ArrayMin Liu

2、, Zi-Rui Feng, Feng-lin Sun,Qun WuHarbin Institute of Technology Abstract: Design of a 35GHz conformal microstrip patch antenna 4×4 elements array on a perfectly conducting cone is presented. A new kind of microstrip feed approach, which is hemline feed method (HFM), is used to design the patch

3、 element. And this kind of elements is used for forming the conformal microstrip array. The influence of the conical curvature on the radiation features of the conformal antenna array is discussed. Simulations by the CST MICROWAVE STUDIO are given to verify this present design.Key Words: millimeter

4、wave, conformal array, microstrip antenna, HFM, conical curvature315第二部分 微波毫米波天线与散射1 引言基金项目：航空科学基金资助项目（项目批准号：20060112105）、CAST创新基金资助项目（CAST200610）、哈尔滨工业大学跨学科交叉性研究基金资助项目(HITMD.2003.07)。现代军事装备高新技术应用不断增多，机载、星载及各类武器系统所需要的电子组件部件向着短、小、轻、薄、高可靠性、高速度的方向快速发展。在性能方面，迫切需要电磁兼容性好、不易受电子干扰、雷达散射截面(RCS)小、具有隐身/反隐身特性的高性

5、能阵列天线1。尤其作为毫米波制导技术的一个重要发展方向，能够与载体共形的天线系统即共形天线的研究近年来日益得到重视，它不仅可以提供原来所需要的天线性能，而且不影响载体本身的机动特性。由于共形微带天线具有不额外占用空间和对飞行姿态影响小等优点，其在航空、制导等领域具有很大的吸引力，因此对共形相控阵微带天线的研究具有重要的工程价值和国防意义2。但是共形微带天线的设计与分析还存在诸多困难：载体（尤其是金属载体）的曲率会影响天线的性能，大部分的计算方法处理共形天线时显得繁琐且耗时长，尤其在毫米波频段天线阵元的间距非常小，阵元布局不合理或者尺寸的稍微偏差等问题将会对天线性能造成极大的影响，为了保证设计结

6、果的精度，这个问题就更显得突出。因此在毫米波段下设计共形天线阵是具有挑战性的课题。基于上述考虑，本文设计了一种工作在35GHz，与理想导体圆锥共形的4´4微带天线阵列。该阵列的微带贴片单元均采用底边馈电方式（HFM），同时采用并馈方式对整个阵列进行馈电。对不同圆锥半径下阵列辐射性能的异同进行了对比，并通过电磁仿真软件CST对各种性能进行了仿真，仿真结果验证了该设计的合理性和正确性。2 平面结构设计与仿真A. 底边馈电方式（HFM）传统的微带天线馈电包括中心馈电和侧边馈电等方式，而本文采用底边馈电方式（HFM）对微带贴片单元进行馈电。HFM的原理可用图1所示的微带贴片单元来说明。由于在

7、谐振边馈电阻断了贴片部分的辐射，馈线和贴片的接触导致了辐射的降低，这一点在毫米波段上表现的尤为突出，所以设计中采用了非谐振边馈电方式3。再加上天线工作在35GHz，50W的馈线宽度与贴片尺寸相比太宽，对天线的辐射影响较大，且不利于天线阵馈电网络的设计，所以设计中我们将贴片单元与100W的馈线进行匹配。由于馈线的位置被固定在非谐振边的最底端，因此天线的谐振频率只与贴片的长和宽密切相关，设计中需要反复调整贴片的长和宽使天线性能达到最优。最后得到天线性能较好的结构模型如图1所示，具体参数如表1所示，表中eg为介质板的介电常数，H、L1、W1分别为其厚度、长度和宽度，而L2、W2分别为贴片单元的长度和

8、宽度，W3为100W馈线的宽度。图1 底边馈电示意图表1 平面贴片单元结构参数egH(mm)L1(mm)W1(mm)L2(mm)W2(mm)W3(mm)2.20.35.566.32.563.30.274贴片单元的仿真结果如图2所示。图2中，（a）为该单元的S11图，（b）为VSWR图，（c）为二维远场方向图。从仿真结果可以看出，天线的谐振频率正好在35GHz，天线的带宽（VSWR=2）达到了2.03GHz，天线的增益达到了7.3dB。(a) 贴片单元的S (b) 贴片单元的VSWR(C) 二维远场方向图图2 底边馈电单元的仿真结果B 平面4´4阵列馈电网络设计微带天线阵有各种不同的馈

9、电方式，主要包括串馈、并馈、反射阵面馈电和喇叭馈电等。由于并联馈电方式具有设计比较简单、各元所要求的激励振幅和相位可以通过设计馈电网络来实现、容易实现宽频带等优点，设计中我们选择该方式设计馈电网络。又由于T型结功分器具有结构简单、占据空间小、容易实现不等功分等优点，设计中我们采用T型结功分器构成并联馈电网络。基于以上分析和前面设计的底边馈电单元，我们设计了一个平面4´4阵列的馈电网络，如图3所示。图3 平面4´4阵列的馈电网络图3中，各阵元间距为0.5l0（l0为自由空间波长），馈电网络中的三种馈线宽度分别为0.274mm、0.54mm和0.96mm，对应的阻抗分别为100

10、W、70.7W和50W。该平面4´4阵列的仿真结果如图4所示。图4中，（a）为该单元的S11图，（b）为VSWR图，（c）为二维远场方向图。从仿真结果可以看出，天线的谐振频率正好在35GHz，天线的带宽（VSWR=2）约为0.96GHz，天线的增益达到了20.5dB，副瓣电平为-13.5 dB。(a) 4´4阵列的S11(b) 4´4阵列的VSWR(C) 二维远场方向图图4 平面4´4阵列的仿真结果3 锥面结构设计与仿真A. 理想导体圆锥由于圆锥与机体和导弹头等结构形状吻合，其在共形天线系统里具有重要的应用价值4。考虑到圆锥导体的有效性和实践性，设计中我

11、们选择圆锥的底面半径r为100mm，高h为r的两倍，即h=200mm，圆锥的顶角qt=53.13°，圆锥的介质为理想导体（PEC），其具体结构见图5所示。B. 锥面共形4´4阵列设计鉴于锥面共形阵列具有扫面波束宽、雷达散射截面(RCS)低等良好空气动力学性能，其在飞机、火箭和导弹导引头等各种飞行器载体上具有广泛的应用价值5。基于前面设计的平面4´4阵列和理想导体圆锥，我们设计了一个锥面共形4´4阵列，其结构示意图如图6所示。由于圆锥顶部的绕射效应对共形阵列的辐射性能影响较大，设计中我们尽量将4´4阵列放置在圆锥底部，该阵列的仿真结果如图7所示。

12、 图5 理想导体圆锥模型 图6 锥面共形4´4阵列图7中，（a）为锥面共形阵列的S11图，（b）为VSWR图，（c）为二维远场方向图。从仿真结果可以看出，天线的谐振频率正好在35GHz，天线的带宽（VSWR=2）约为1.27GHz，天线的增益达到了20.19dB，副瓣电平为-12.5 dB。(a) 4´4阵列的S11(b) 4´4阵列的VSWR(c) 二维远场方向图图7 锥面4´4阵列的仿真结果对比平面4×4阵列和共形4×4阵列的仿真结果，我们可以看到它们之间的异同：两者的中心频率均为35GHz，两者的S11在谐振频率上的dB值基本相

13、同，两者的VSWR=2即-10 dB带宽差异较大，平面阵列的带宽为0.96GHz，共形阵列的带宽增大到1.27GHz，两者的增益和副瓣电平也有差异，平面的分别为20.5 dB和-13.5 dB，而共形的分别为20.19 dB和-12.5 dB，可见共形后增益有所降低而副瓣电平却增大了。4 圆锥曲率对共形阵列辐射性能的影响在设计中，我们讨论了圆锥曲率的影响。为了对圆锥曲率进行精确研究，除了圆锥半径外，其它参数均严格保持不变。此外，为了更好的研究该规律，我们对圆锥半径进行不等间距取值，为别为40mm，50mm，80mm和100mm，仿真结果如图8所示。（a）不同半径的锥面共形4×4阵列的

14、S11（b）不同半径的锥面共形4×4阵列的VSWR（c）不同半径的锥面共形4×4阵列的二维远场方向图图8 不同半径的锥面共形4×4阵列的仿真结果从仿真结果可以看出，圆锥曲率对天线阵列的不同辐射性能有不同的影响，为了更好的进行分析，我们将天线阵列的辐射性能参数列表如下：表2 不同半径的锥面共形4´4阵列的辐射特性r(mm)405080100S11 (dB)-37.93-33.9-27.12-31.41f0 (GHz)34.92234.95334.92535.112BW(GHz)1.39651.37741.28271.2735G(dB)16.6618.201

15、9.9520.19由上表数据我们可以得出如下结论：（1）曲率对S11的影响：当圆锥半径变化时，S11在谐振频率上的dB值做无规律的变化，但总体来说，变化不是特别明显；（2）曲率对中心频率（f0）的影响：当圆锥半径变化时，中心频率变化很小，相对于35GHz的工作频率，这点微小的变化可以忽略不计；（3）曲率对VSWR=2即-10dB带宽（BW）的影响：当圆锥半径变化时，VSWR=2带宽随其变化，具体为半径越大，带宽越小，但相对于35GHz的中心频率来说，总体影响不大；（4）曲率对二维远场方向图的影响：当圆锥半径变化时，天线增益（G）变化较大。具体表现为半径越大，增益越高，第一副瓣电平变化不大。究其

16、原因可归结为：半径越大，圆锥面曲率越小，锥面就越接近平面，而相同参数下平面阵列的增益比共形阵列的增益大，因而增益就越大。5 结论本文介绍了一种新的微带馈电方式底边馈电（HFM），基于该方式设计出平面4´4阵列的并联馈电网络。利用该馈电网络设计了一种工作在35GHz，与理想圆锥导体共形的4´4微带天线阵列，并将其性能与平面阵列进行了对比，结果表明两者的主要差异是共形后阵列的带宽有所增大，而共形后阵列的增益略微减小。最后研究了圆锥曲率对共形阵列辐射性能的影响，结果表明圆锥曲率对辐射性能最大的影响是增益随着半径的增大而增大。CST电磁仿真结果验证了该设计的合理性和正确性。参考文献

17、1 Zhu Qi, Bao Liang, “Design of Microstrip Antenna with Broader Bandwidth and Beam”, 2005 IEEE, PP.617-620.2 Mauricio Sanchez Barbetty, “design and implementation of a transceiver and a microstrip corporate feed for splid state X-band radar”, 2006,pp.3-10,25-40.3 毕佳明，金博识，杨彩田，吴群。毫米波段共形相控阵天线技术研究.2005全国毫米波会议论文集. 深圳，2005：289292.4 T.N.Ks