1、一種用于共形相控陣的寬頻帶寬波束雙圓極化微帶貼片天線郭 健 , 沈 泉(中國電子科技集團公司 第 39研究所 陜西 西安 710065摘 要 :介紹了一種用于共形相控陣天線的寬頻帶寬波束雙圓極化微帶貼片天線 , 并利用 Ansoft 公司的電磁場高頻結(jié) 構(gòu)仿真軟件 HFSS 對所設(shè)計的天線進行計算分析 。 所設(shè)計的微帶貼片天線在設(shè)計頻段內(nèi)反射損耗小于 -20dB , 半功率波束 寬度大于 ±60°。關(guān)鍵詞 :微帶貼片天線 ; 寬頻帶寬波束 ; 電磁場高頻結(jié)構(gòu)仿真軟件 ; 反對損耗中圖分類號 :TN821 文獻標識碼 :B 文章編號 :1004373X (2007 08145

2、02A Type of Circular Polarization Microstrip Patch Antenna with B roadband and WideB eamwidth Used in Conformal Phased ArrayGUO Jian ,SH EN Quan(No. 39th Institute , Electronic Science &Technology Group Corporation of China ,Xi an ,710065,China Abstract :Atype of circular polarization microstrip

3、 patch antenna in conformal phased array is described and the designed antenna is analyzed with High electromagnetic field of Ansoft. The return loss is less than -20dB and is ±60°within design f requency of the designed antenna.K eywords beamwidth ; HFSS ;return loss收稿日期 :20061025 艦船及車輛等

4、任意彎曲的表面上進行安裝 , 并與之共形。當要求共形相 控陣天線的波束覆蓋范圍很大時 , 天線單元的方向圖就要 有足夠的波束寬度 。適用于共形相控陣天線的單元形式 一般有微帶天線和縫隙天線。比較兩種天線的特性不難 發(fā)現(xiàn) , 縫隙天線的單元方向圖寬度很難滿足要求。概括來 講應用于共形相控陣的天線要求天線單元具有主要特點 :方向圖掃描角度較寬 , 可達 ±6°以上 ; 頻帶較寬 , 可達 5%; 與載體共形 , 即天線的縱向尺寸要盡量小 ; 雙圓極化工作。 1 設(shè)計思想微帶天線近年來愈來愈受到人們的重視 , 因為他具有 很多天線所沒有的特點 :便于獲得圓極化 , 容易實現(xiàn)雙頻

5、段和雙極化 , 尺寸小、 重量輕、 價格低 , 尤其是他有很小的 剖面高度 , 易附著于任何金屬物體表面 , 最適于某些高速 運轉(zhuǎn)的物體 , 如飛機、 火箭、 導彈等。微帶天線的缺點是工 作頻帶很窄 , 基本輻射單元具有明顯的諧振特性 , 當工作 頻率偏離諧振點后 , 其輸入阻抗急劇減小 , 在饋電點產(chǎn)生 強烈的反射 , 使天線不能正常工作。這里采用雙層微帶天線 1方案來解決寬頻帶的問題 。 寬頻帶雙層微帶天線的基本形式如圖 1所示。其中下層導體貼片為饋電元 , 上層導體貼片為寄生 元 , 兩層中間為空氣 (可采用泡沫材料來支撐上層 或介質(zhì) 材料。 這類雙層結(jié)構(gòu)因為有兩個導片 , 因而形成兩個

6、諧振 電路 , 具有兩個諧振頻率 , 當配置得當時 , 兩個諧振頻率適 當接近結(jié)果形成頻帶大大展寬的雙峰諧振電路。圖 1 雙層微帶天線結(jié)構(gòu)示意圖另外 , 試驗表明 , 雙層微帶天線不僅能夠大大展寬頻 帶 , 而且可使 E 面波瓣變窄到與 H 面波瓣相近 , 使天線方 向圖具有良好的等化特性 , 這也就意味著雙層結(jié)構(gòu)微帶天 線可以成為一個好的饋源和圓極化輻射器。這里需要解決的第二個問題就是寬波束覆蓋的問題。 從文獻 2可知 , 通過改變貼片單元和反射板之間的距離 , 可以將方向圖調(diào)整到在有用的覆蓋區(qū)為最佳覆蓋 。實際 計算中發(fā)現(xiàn) , 增加貼片和反射板之間的距離可以增加方向 圖的寬度 , 選取合適

7、的高度即可得到指標要求的方向圖覆541現(xiàn)代電子技術(shù) 2007年第 8期總第 247期 集 成 電 路 蓋范圍。 2 設(shè)計方法一直以來 , 微帶天線的理論雖已日漸成熟 , 也有一些 簡單的設(shè)計公式可以參考 , 但始終都沒有一套準確有效的 設(shè)計方法。 特別是對于一些復雜結(jié)構(gòu)的微帶天線更是難 以準確設(shè)計 , 只能依靠大量的反復的試驗得到結(jié)果 , 這樣 不僅耗時耗力耗資金 , 而且很難達到最佳設(shè)計效果 。近年 來 ,Ansoft 公司的 HFSS 軟件提供了一種方便直觀的設(shè)計 方法 , 大量的設(shè)計應用也驗證了他的準確性。首先利用設(shè) 計公式設(shè)計出基本的結(jié)構(gòu)尺寸 , 再利用 HFSS 軟件進行建 模和優(yōu)化

8、設(shè)計 , 最終得到所需要的滿足技術(shù)要求的模型 。3 設(shè)計結(jié)果 3. 1 輻射單元形式依據(jù)以上設(shè)計思想和設(shè)計方法 , 研制了一種雙貼片形 式的微帶天線 , 而且貼片距離反射板之間有一定的高度 , 他不僅可以有效地展寬頻帶 , 而且 可以獲得 較寬的 方 向圖。計算機仿真計算的結(jié)果如下 :反射損耗 -19dB ; 方向圖 :軸向增益 4. 5dB ±30°±60°2. 2。計算曲線如圖 2, 圖 3 所示。圖 2 反射損耗計算結(jié)果 圖 3 方向圖計算結(jié)果由以上仿真結(jié)果可知 , 這種形式的貼片天線作為共形 相控陣天線的輻射單元完全可以滿足使用要求。另外 , 從

9、 性能來看 , 他也可以成為性能良好的前饋天線的饋源 。 3. 2 3dB 電橋為實現(xiàn)天線的圓極化 , 需用 3dB 電橋?qū)N片進行兩 點饋電。 采用部分介質(zhì)填充的帶狀線圓環(huán)型 3dB 電橋形 式 , 利用了貼片與反射板之間的空間進行安裝 , 使得 3dB 電橋不再另外增加天線的高度 , 巧妙地實現(xiàn)了饋電點與載 體共形的設(shè)計要求。 其結(jié)構(gòu)形式如圖 4所示 。計算機仿真計算的結(jié)果及計算曲線如下 :反射損耗 -27dB ; 幅度不平衡 0. 03dB ; 移相量 90°±0. 1°4 實驗結(jié)果根據(jù)以上計算結(jié)果 , 進行了結(jié)構(gòu)設(shè)計 , 并加工生產(chǎn)出 這種雙層微帶貼片天線

10、的實物 , 實驗測得其主要技術(shù)指 標為 :圖 4 3dB 電橋結(jié)構(gòu)示意圖圖 5 3dB 電橋反射損耗圖 6 3dB 電橋幅度不平衡電壓駐波比 :VSWR<1. 25; 半功率波束寬度 >±60° 圓極化軸比 <1dB 。 具體測試曲線見圖 8和圖 9 。圖 7 3dB 電橋移相量(下轉(zhuǎn)第 150頁 641微 電 子 技 術(shù) 郭 健等 : 一種用于共形相控陣的寬頻帶寬波束雙圓極化微帶貼片天線 圖 7 主程序流程圖6 結(jié) 語運行表明 , 該實驗系統(tǒng) , 可模擬各種運行方式下的故 障現(xiàn)象 , 省去了傳統(tǒng)測試方法中所需的移相器、 調(diào)壓器等 多臺用于調(diào)整電壓 、 電

11、流的較為笨重的一次設(shè)備 , 了由此引起的易接錯線、 , 測試水平。 由于裝置硬件通用性強 , 可通過在同一硬件平 臺上下載多種不同的保護程序運行 , 來完成多種不同類型 的保護功能實驗 , 突破了傳統(tǒng)的一套保護裝置只實現(xiàn)一種 保護功能的局限 , 使學生在實驗室就可以仿真現(xiàn)場的故障 現(xiàn)象 , 且價格低廉 , 有效地解決了電力系統(tǒng)繼電保護生產(chǎn) 一線與教學之間的銜接問題 , 具有較大的推廣前景。參 考 文 獻1王玉彬 , 陳威齋 , 吳開東 . WXB 211型線路微機保護仿真教學培訓裝置的研制 J.山東電力技術(shù) ,1997(1 :44245.2何立民 . 單片機應用系統(tǒng)設(shè)計 M .北京 :北京航空

12、航天大學出版社 ,1990.3王幸之 , 王雷 , 翟成 . 單片機應用系統(tǒng)抗干擾技術(shù) M .北京 :北京航空航天大學出版社 ,2001.4趙俊超 . 集成電路設(shè)計 V HDL 教程 M .北京 :北京希望電子出版社 ,2002.5鐘慶昌 , 彭楚武 . 串行外圍接口 SPI 的接口技術(shù) J.電子技術(shù)應用 ,1997(2 :49250.6. +開發(fā)人員指南 M .梁, , :,2000., . +10數(shù)據(jù)庫開發(fā)實例精解 M .北,2000.作者簡介 員 , 系副主任 , 碩士 , 講師 。 研究方向為控制工程 。韓應江 , 河南南陽人 , 系主任 , 碩士 , 副教授 。 研究方向為電力工程和控制工程 。(上接第 146頁 5 結(jié) 語由圖 8和圖 9的結(jié)果可以看出 , 所設(shè)計的雙層微帶貼 片天線實測結(jié)果與仿真計算結(jié)果基本吻合 , 具有良好的寬 頻帶、 寬波束及與載體共形的特性 , 不僅可以作為共形相 控陣天線的輻射單元 , 也是前饋天線的理想饋源。圖 8 反射損耗實測結(jié)果圖 9 方向圖實測結(jié)果 參 考 文 獻1鐘順時 . 微帶天線理論與應用 M .西安 :西安電子科技大學出版社 ,1991.2藤本共榮 ,J. R. 詹姆斯 . 移動天線系統(tǒng)手冊 M .楊可忠 , 井淑華 , 譯 . 北京 :人民