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計劉敏 馮子睿 孫鳳林 吳群哈爾濱工業大學電子信息技術研究院摘要：本文設計了一種中心頻率為35GHz ，與理想導體圓錐共形的4×4微帶天線陣列。采用一種不同于傳統的微帶饋電方式底邊饋電（HFM ）設計矩形微帶貼片單元，利用該單元構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計進行了驗證。 關鍵字：毫米波，圓錐共形，微帶天線，底邊饋電，圓錐曲率4×4 Ka-band Conical ConformalMicrostrip Array

2、Min Liu, Zi-Rui Feng, Feng-lin Sun,Qun WuHarbin Institute of TechnologyAbstract: 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

3、patch 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: milli

4、meter wave, conformal array, microstrip antenna, HFM, conical curvature1 引言現代軍事裝備高新技術應用不斷增多，機載、星載及各類武器系統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技術的一個重要發展方向，能夠與載體共形的天線系統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

5、飛行姿態影響基金項目：航空科學基金資助項目（項目批準號：20060112105）、CAST 創新基金資助項目（CAST200610）、哈爾濱工業大學跨學科交叉性研究基金資助項目(HITMD.2003.07。小等優點，其在航空、制導等領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，為了保證設計結果的精度，這個問題就更顯得

6、突出。因此在毫米波段下設計共形天線陣是具有挑戰性的課題。基于上述考慮，本文設計了一種工作在35GHz ，與理想導體圓錐共形的4×4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，仿真結果驗證了該設計的合理性和正確性。2007年全國微波毫米波會議論文集 3122 平面結構設計與仿真A. 底邊饋電方式（HFM ）傳統的微帶天線饋電包括中心饋電和側邊饋電等方式，而本文采用底邊饋電方式（HFM ）對微帶貼片單元進行饋電。HFM 的原理可用圖1所示

7、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致了輻射的降低，這一點在毫米波段上表現的尤為突出，所以設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絡的設計，所以設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，設計中需要反復調整貼片的長和寬使天線性能達到最優。最后得到天線性能較好的結構模型如圖1所示，具體參數如表1所示，表中為介質板的介電常數，H 、L 1、W 1分別為其厚度、長度和寬度，而L

8、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。圖1 底邊饋電示意圖表1 平面貼片單元結構參數 (mm 1 (mm 1 (mm 2 (mm 2 (mm 3貼片單元的仿真結果如圖2所示。圖2中，（a ）為該單元的S 11圖，（b ）為VSWR 圖，（c ）為二維遠場方向圖。從仿真結果可以看出，天線的諧振頻率正好在35GHz ，天線的帶寬（VSWR=2）達到了2.03GHz ，天線的增益達到了7.3dB 。(a 貼片單元的S(b 貼片單元的VSWR(C 二維遠場方向圖 圖2 底邊饋電單元的仿真結果B 平面4×4陣列饋電網絡設計微帶天線陣有各種不同的饋電方式，主要包括串饋、

9、并饋、反射陣面饋電和喇叭饋電等。由于并聯饋電方式具有設計比較簡單、各元所要求的激勵振幅和相位可以通過設計饋電網絡來實現、容易實現寬頻帶等優點，設計中我們選擇該方式設計饋電網絡。又由于T 型結功分器具有結構簡單、占據空間小、容易實現不等功分等優點，設計中我們采用T 型結功分器構成并聯饋電網絡?；谝陨戏治龊颓懊嬖O計的底邊饋電單元，我們設計了一個平面4×4陣列的饋電網絡，如圖3所示。第二部分 微波毫米波天線與散射 313圖3 平面4×4陣列的饋電網絡圖3中，各陣元間距為0.50（0為自由空間波長），饋電網絡中的三種饋線寬度分別為0.274mm 、0.54mm 和0.96mm ，

10、對應的阻抗分別為100、70.7和50。該平面4×4陣列的仿真結果如圖4所示。圖4中，（a ）為該單元的S 11圖，（b ）為VSWR 圖，（c ）為二維遠場方向圖。從仿真結果可以看出，天線的諧振頻率正好在35GHz ，天線的帶寬（VSWR=2）約為0.96GHz ，天線的增益達到了20.5dB ，副瓣電平為-13.5 dB。(a 4×4陣列的S 11(b 4×4陣列的VSWR(C 二維遠場方向圖 圖4 平面4×4陣列的仿真結果3 錐面結構設計與仿真A. 理想導體圓錐由于圓錐與機體和導彈頭等結構形狀吻合，其在共形天線系統里具有重要的應用價值4?？紤]到圓錐

11、導體的有效性和實踐性，設計中我們選擇圓錐的底面半徑r 為100mm ，高h 為r 的兩倍，即h=200mm，圓錐的頂角t =53.13°，圓錐的介質為理想導體（PEC ），其具體結構見圖5所示。B. 錐面共形4×4陣列設計鑒于錐面共形陣列具有掃面波束寬、雷達散射截面(RCS低等良好空氣動力學性能，其在飛機、火箭和導彈導引頭等各種飛行器載體上具有廣泛的應用價值5。基于前面設計的平面4×4陣列和理想導體圓錐，我們設計了一個錐面共形4×4陣列，其結構示意圖如圖6所示。由于圓錐頂部的繞射效應對共形陣列的輻射性能影響較大，設計中我們盡量將4×4陣列放置在

12、圓錐底部，該陣列的仿真結果如圖7所示。圖5 理想導體圓錐模型 圖6 錐面共形4×4陣列圖7中，（a ）為錐面共形陣列的S 11圖，（b ）為VSWR 圖，（c ）為二維遠場方向圖。從仿真結果可以看出，天線的諧振頻率正好在35GHz ，天線的帶寬（VSWR=2）約為1.27GHz ，天線的增益達到了20.19dB ，副瓣電平為-12.5 dB。(a 4×4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 二維遠場方向圖 圖7 錐面4×4陣列的仿真結果對比平面4×4陣列和共形4×4陣列的仿真結果，我們可

13、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，其它參數均嚴格保持不變。此外，為了更好的研究該規律，我們對圓錐半徑進行不等間距取值，為別為40mm

14、 ，50mm ，80mm 和100mm ，仿真結果如圖8所示。（a ）不同半徑的錐面共形4×4陣列的S11（b ）不同半徑的錐面共形4×4陣列的VSWR（c ）不同半徑的錐面共形4×4陣列的二維遠場方向圖 圖8 不同半徑的錐面共形4×4陣列的仿真結果從仿真結果可以看出，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列表如下：表2 不同半徑的錐面共形4×4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 1.3

15、965 1.3774 1.2827 1.2735 G(dB由上表數據我們可以得出如下結論： （1）曲率對S 11的影響：當圓錐半徑變化時，S 11在諧振頻率上的dB 值做無規律的變化，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）曲率對二維遠場方向圖的影響：當圓錐半徑變化時，天線增益（G ）變化

16、較大。具體表現為半徑越大，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。究其原因可歸結為：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 結論本文介紹了一種新的微帶饋電方式底邊饋電（HFM ），基于該方式設計出平面4×4陣列的并聯饋電網絡。利用該饋電網絡設計了一種工作在35GHz ，與理想圓錐導體共形的4×4微帶天線陣列，并將其性能與平面陣列進行了對比，結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，結果表明圓錐曲率對

17、輻射性能最大的影響是增益隨著半徑的增大而增大。CST 電磁仿真結果驗證了該設計的合理性和正確性。參考文獻1 Zhu Qi, Bao Liang, “Design of Microstrip Antenna withBroader Bandwidth and Beam”, 2005 IEEE, PP.617-620. 2 Mauricio Sanchez Barbetty, “design and implementationof a transceiver and a microstrip corporate feed for splid state X-band 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研究.2005全國毫米波會議論文集. 深圳，2005：289292.4 T.