钱祖平 关东方 张颖松 王开华

(1.解放军理工大学，江苏 南京 210007; 2.东南大学 毫米波国家重点实验室，江苏 南京 210096)

引 言

八木天线自问世以来就因其方向性强、增益高、结构简单而备受青睐.传统的八木天线通常体积庞大，这限制了其在移动通信和其他空间受限环境中的应用.随着现代通信技术的发展，促进了对宽带高增益小型化天线的研究，微带准八木天线的设计和应用受到了广泛的重视.把八木天线集成在单层介质板上，不仅具有谐振型天线的紧凑简洁，而且具有行波辐射器的宽带特性.

实际应用中，考虑到空气动力学以及需要减少天线雷达散射截面等方面的要求，常常需要天线与某些形状的载体共形，共形天线在军事和民用上具有广泛的应用空间.对于火箭和导弹等高速飞行器，传统的喇叭天线、抛物面天线等不利于缩小系统体积， 微带天线由于其具有剖面低、体积小、重量轻、易于与载体共形等特点，被广泛应用于共形天线中.

本文设计了一款新型的平面微带准八木天线，并将其与圆柱面共形.利用电磁场仿真软件(High Frequency Structure Simulator,HFSS)对天线单元进行了仿真，研究了引向器的数量和尺寸、辐射偶极子的形状等结构参数对天线性能的影响，通过优化设计，得到了符合应用要求、性能良好的设计结果.最后根据仿真参数将天线加工成实物，测试结果与仿真结果吻合.

1 天线设计

1.1 天线结构

平面微带准八木天线的结构如图1所示.本天线采用单面微带结构，与普通八木天线的结构基本相同，天线由辐射振子、反射器、引向器组成.不同的是，用天线接地面做反射单元，通过实验证明接地面起到了良好的反射作用. 文献[2]中微带八木天线使用微带线馈电，需要一个微带线到共面带线的转换，结构复杂.本文采用共面波导(Coplanar WaveguideCPW)直接馈电，不但能简化馈电网络，减小天线尺寸，还能增加天线阻抗带宽.

图1 平面天线结构示意图

根据八木天线的设计原理，天线振子的长度应该在0.45～0.48λeff，引向器的长度应该在0.4～0.45λeff，引向器与振子之间的距离应该在 0.1～0.3λeff，引向器之间的距离应该在0.15～0.4λeff，λeff为工作波长.天线的谐振频率主要由天线振子的长度决定，本文所设计天线的谐振频率设定在900 MHz左右.

天线选用厚度0.2 mm相对介电常数εr1=2.55的介质板，这种薄介质板易于弯曲并与柱面共形，共形后的结构如图2所示.为了便于实际加工测试，并且较好地模拟飞行器，柱体选用胶木材料，其相对介电常数εr2=8，柱体半径R=87 mm，高度H=200 mm.

图2 柱面共形结构示意图

由于微带准八木天线结构较为复杂，影响天线性能的参数很多，逐一优化起来会顾此失彼.经过仿真，发现天线阻抗匹配、方向图、增益等性能主要由辐射器和反射器的结构决定，所以本文主要通过优化设计辐射器和反射器的结构来达到最佳性能.

1.2 参数分析

偶极子作为辐射器对天线性能影响很大，为了增加天线的带宽，采用蝶形偶极子作为辐射器.锥形天线结构的一个重要参数就是锥形的顶角，作为锥形天线的变形，可改变蝶形开口的张角来调节天线性能.通过仿真发现，调节蝶形偶极子的宽度W7，天线的阻抗特性S11发生明显变化，如图3所示.随着蝶形的宽度W7增大，天线带宽先增大后减小，经过优化发现当W7=18 mm时，天线阻抗匹配情况最为理想.

引向器可以起到引向作用，提高天线增益，但是引向器之间的耦合及引向器与辐射器的耦合会对天线匹配网络产生影响，使S参数恶化.引向器的长度和位置是影响天线性能的最主要因素.

图3 回波损耗随W7变化的曲线

由文献[8]知，引向器之间的距离主要影响天线增益，对匹配几乎没有影响.而引向器的长度对天线匹配和增益均有较明显的影响.本文采用三根不等长引向器，每根引向器被分为三段，如图1所示，通过调节中间缝隙s的大小来优化天线性能.

如图4所示，参数s的变化对天线的阻抗特性S11有明显影响.当没有缝隙时，S11几乎在-10 dB以上，开缝后阻抗匹配情况明显好转.经过优化发现s=2 mm时，匹配情况最好，在775～995 MHz频带内S11≤-10 dB，最低点达到-23 dB.

图4 回波损耗随s变化的曲线

图5所示为天线增益随s的变化曲线.从图5可以看出不开缝时，引向器(正y轴)方向的增益随频率增加而降低，甚至在频率大于850 MHz以后，负y向增益大于正y向增益，这说明引向器并没有起作用.开缝后方向明显好转，在整个频带范围内，引向器方向增益始终稳定在4 dB左右，而反向增益最小达到-22 dB，前后比约为26 dB.

图5 天线增益随s变化的曲线

基于以上分析，经过综合考虑和仿真优化，最终确定天线各个参数，如表1所示.

表1 各参数尺寸(mm)

2 仿真与测量结果分析

根据仿真结果，实际加工制作了天线实物，如图6所示.天线在微波暗室完成测试，由矢量网络分析仪测得的反射系数S11曲线与仿真结果比较，如图7所示.实测谐振点位于888 MHz，天线在790～1 080 MHz频带内，回波损耗S11≤-10 dB，相对带宽约为30%.实测结果与仿真结果相比较，谐振点偏小，反射系数曲线深度变浅，但是S11≤-10 dB的带宽增加约90 MHz.在整个频带范围内，S11曲线的变化趋势及阻抗带宽与仿真结果一致.

图6 天线实物

图7 实测回波损耗曲线与仿真结果比较

实测天线谐振点888 MHz处的辐射方向图与仿真归一化方向图比较，如图8所示.由E面(xoy面)和H面(yoz面)方向图可以看出，天线辐射最大方向为引向器(正y轴)方向.天线的实测E面3 dB波瓣宽度约为120度， H面3 dB波瓣宽度约为106度.两个面的3 dB波束宽度均在100度以上，实现了天线宽波束通信的性能.另外，通过与标准喇叭天线比较，测出天线谐振点处的最大增益为3.8 dB.考虑到天线设计在较低频率以及实现宽波束的功能，所以天线增益不高.经过计算，天线效率约为75%，与微带天线的效率基本一致.

(a) E面方向图

3 结 论

本文设计了一种新型的基于微带准八木天线结构的柱面共形天线.该天线采用CPW馈电，不需要复杂的巴伦结构转换.通过仿真分析和优化，采用蝶形偶极子作为辐射源，增加天线的带宽，采用三根分段式的金属条作为引向器，实现更好的阻抗匹配和提高方向性.最终设计了一款频率为790～1 080 MHz，相对阻抗带宽为30%，宽波束辐射，最大增益为3.8 dB的柱面共形天线.该天线性能良好，可应用于火箭、导弹、飞机等飞行器上的通信.

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