具有特殊方向图的小型化锥面共形微带天线阵.doc

------------------------------------------------------------------------------------------------ —————————————————————————————————————— 具有特殊方向图的小型化锥面共形微带天线阵 空间电子技术 82SPACEELECTRONICTECHNOLOGY????????????????2010年第1期 黄迎春??张涛??林晨??张福顺??赵玉龙 (西安电子科技大学天线与微波技术国家重点实验室,西安710071) 关键词??方向图??小型化??锥面共形??微带天线阵 49??1mm,D2=38mm,H=28.2mm),工作频率为S 波段,且天线的厚度不能超过1mm,天线的电压驻 波比(VSWR)小于2的带宽要大于10MHz。天线辐 射的E面方向图要求如图2所示。0??引??言????共形阵列天线是当前天线技术中最重要的发展之一。共形阵列将广泛应用于有人驾驶飞机和无人 机、舰船和地面车辆上,改进平台和跟踪目标的性能。 当前对共形天线需求最为迫切的领域是需要大孔径 尺寸的卫星通信和军用机载监视雷达这两个领域,而 共形天线在无人机或导弹上可能最先得以应用[1]。 传统的锥面共形天线是基于共形体半径大于或者接 近天线工作频率的半波长尺寸。但随着天线的小型 化技术的不断发展,要求天线的尺寸减小,共形体的 半径降低,而在共形体的半径小于半波长时,天线辐 射的H面方向图就会有剧烈的起伏,极不稳定。一般 的共形天线的垂直面(E面)辐射方向图是一个对称 的??8 字型[2]图1??天线安装锥台示意图,而在导弹高速运行时就需要一个偏向 于共形体底部的??8 字型方向图。文章在基于谐振腔 模理论设计出了一种具有特殊方向图的小型化锥面 共形微带天线阵,缩短了天线的尺寸。通过缩短阵元 间距,加强了阵元之间的耦合,从而实现了E面方向 图偏向于共形体底部。图2??天线的E面方向图要求1??设计要求 ????天线要求安装在图1所示的锥台上(D1= :17;??:2008-272??理论分析与设计????文章先是由腔模理论分析电场分布,利用一般, 83 [3] 置进行改进,利用AnsoftHFSS软件对天线单元进行仿真优化设计,大大降低了天线阵的设计复杂度。2.1??天线单元的分析与设计????Ez(X,Y)=j + kd-ab 2.1.1用谐振腔模法分析 ????对于馈电点在矩形边缘任意位置的单元, [2] 其腔体内Ez分量在TMmn模式情况下为: ! ? n=1 cos+bab(kd-k0n) m=1 ! ? cos+2am b(kd-km0)4sin (1) ?????????????? m=1n=1 !! ?? 8simpcomp2a2ampxnpy coscosabmp(kd-kmn) 其中,a,b为贴片的长度和宽度,Kmn为mn模式下的 波数,取a=b,mn模的幅度很小,且可以激励起等幅的TM10和TM01模式,在有空腔模型理论的边界条件下,就可得出激励的远区场方向图。 2.1.2??天线单元尺寸的设计 在天线设计中考虑到实际尺寸的限制,文章采用!.2的高介电常数柔性介质基片,厚度为0.r=106mm,根据矩形微带天线尺寸公式 ?=b= c!r+2f 021 -2 减小。为了增加天线的辐射边缘长度,文章采用天线单元边缘开槽的方法,这种方法既能够降低单元的尺寸,还能够较好地实现天线单元的匹配,能有效调节单元的阻抗特性,并且能使阵元的方向图宽,降低交叉极化电平。 由于实际加工及调试过程中出现天线的馈线如果太细比较容易折断的现象,所以文章考虑到这些问题,根据微带线特性阻抗设计公式计算,在!r=10.2,基片厚度为0.6mm的情况下,输入阻抗为50?的馈线宽度为0.6mm;输入阻抗为20?的馈线宽度为2.5mm。显然在20?时的馈线就比较不容易折断,所以,文章设计单元的输入阻抗为20?,并且为了使天线的方向图能够向后辐射,必须使agt;b,在经过计算仿真得到天线单元的尺寸: a=21.2mm,b=18.3mm,Wf=2.4mm,Ws=1??2m