竇海鵬， 樊東燕

(山西大學商務(wù)學院 信息學院， 山西 太原030031)

0　引　言

共形天線能夠共形于非平面的載體表面而不影響載體的空氣動力學特性等工作性能， 從而被廣泛應(yīng)用于導彈、 無人機、 雷達和通信等領(lǐng)域[1-6]. 微帶天線及其陣列以其低剖面、 重量輕、 成本低、 易彎曲等優(yōu)點， 成為共形天線的研究熱點之一[7-11]. 文獻[12]提出了一種應(yīng)用于無人機上的共形天線， 雖然3 dB波束寬度可以達到197°， 但-10 dB帶寬僅為28 MHz (807～835 MHz). 文獻[13]對共形在圓柱體上的微帶天線進行了理論分析， 給出了共形微帶天線的數(shù)學計算公式， 但并未討論共形天線陣列對天線帶寬和增益的影響. 文獻[14]提出了一種安裝于導電柱上的共形端射天線陣列， 其-10 dB帶寬可以覆蓋6～18 GHz范圍， 但不能工作于2.4 GHz頻段. 隨著通信技術(shù)的發(fā)展， 對工作于2.4 GHz頻段的寬頻帶共形天線的研究已經(jīng)引起了人們的重視[15]， 但相關(guān)成果較少.

本文提出一種工作于2.4 GHz頻段的寬頻帶共形天線陣列. 該天線陣列采用對跖圓形的輻射貼片作為天線單元， 結(jié)構(gòu)簡單， 易于復雜載體共形. 首先對該天線單元的工作特性進行分析， 然后利用該結(jié)構(gòu)分別組成串聯(lián)4×1單元和串并聯(lián)結(jié)合4×4單元的陣列天線， 并將兩種陣列天線分別按照圓柱的方式共形， 對共形后的陣列天線的結(jié)構(gòu)參數(shù)對天線性能的影響進行仿真分析， 實現(xiàn)寬帶的共形微帶天線陣列.

1　平面對跖圓形天線單元

圖 1 給出了本文提出的對跖圓形天線單元結(jié)構(gòu)， 選用柔韌性強、 易彎折的介質(zhì)基板Rogers RO4533(h=0.75 mm,εr=3.3). 該天線采用對跖的圓形貼片作為輻射單元， 即兩個圓形貼片分別置于介質(zhì)頂端和底層， 且關(guān)于中心對稱， 半徑為r. 采用長為l1的微帶線饋電， 饋線與圓形貼片間用一條長為l2的微帶線相連， 天線單元的尺寸為w×l. 利用電磁仿真軟件HFSS將上述天線單元的參數(shù)優(yōu)化， 最終的結(jié)構(gòu)參數(shù)如表 1 所示.

圖 1　對跖圓形天線結(jié)構(gòu)Fig.1　Structure of antipodal circular antenna

表 1　天線結(jié)構(gòu)參數(shù)Tab.1　The parameters of antipodal circular antenna

圖 2 為半徑r變化對天線的反射系數(shù)(S11)的影響. 從圖 2 中可以看出，r的變化可以影響天線的諧振頻率， 隨著r的減小， 天線的諧振頻率增加. 當r=5.5 mm時， 天線可以工作在無線局域網(wǎng) (WLAN) 2.45 GHz頻段， 此時天線的-10 dB帶寬為2.198～2.535 GHz. 天線在2.45 GHz的歸一化的主極化輻射方向圖如圖 3 所示， 在y-z面具有良好的全向性， 而在x-z面呈現(xiàn)穩(wěn)定的“8”字形. 另外， 該天線單元沿z軸方向(即0°方向)上有最大增益， 為2.4 dBi.

圖 2　參數(shù)r變化對天線S11的影響Fig.2　Simulated S11 for different r

圖 3　對跖圓形天線的主極化輻射方向圖Fig.3　Simulated co-polarization radiation patterns

2　串聯(lián)4單元橫向共形天線陣列

2.1　串聯(lián)4×1單元平面和共形天線陣列結(jié)構(gòu)

將上述對跖圓形貼片結(jié)構(gòu)串聯(lián)組成4單元的平面天線陣列， 其結(jié)構(gòu)如圖 4(a) 所示. 對跖圓形貼片單元尺寸如表 1 所示， 相鄰單元的圓形貼片之間間距d1為50 mm， 約為該介質(zhì)上的微帶線工作在2.4 GHz時的波長的一半. 介質(zhì)基板依然采用Rogers RO4533 (h=0.75 mm,εr=3.3)， 長ls和寬ws分別為100 mm和255 mm.

圖4(b)所示為將以上平面天線陣列以圓柱方式橫向共形的天線陣列結(jié)構(gòu). 圓柱半徑r1為35 mm，對跖的圓形貼片分別置于圓柱的外側(cè)和內(nèi)側(cè)，且4個天線單元等間隔均勻分布于圓柱的四周.

圖 4　串聯(lián)4單元天線陣列Fig.4　Four elements series-fed antenna array structure

2.2　天線性能分析

利用電磁仿真軟件HFSS對上述天線陣列進行了仿真. 圖 5 為平面和共形成圓柱后的天線陣列的S11的仿真結(jié)果. 平面天線陣列在1.894～2.907 GHz 的頻帶范圍內(nèi)有3個諧振頻率點 (1.93, 2.393, 2.817 GHz). 但是由于第一、 二諧振點間的頻段 ( 2.01～2.02 GHz ) 的S11已經(jīng)大于-10 dB， 從而形成了雙頻帶. 當陣列天線共形后， 諧振頻率減少為2個， 但是工作帶寬得到展寬， 為 1.812～2.901 GHz (相對工作帶寬46.2%)， 反射特性優(yōu)于平面結(jié)構(gòu)的陣列天線. 這是因為共形后圓柱四周的天線陣列相互之間形成新的耦合電容， 另外貼片彎曲改變了其阻抗， 使得天線在整個工作頻段上都可以實現(xiàn)阻抗匹配. 圖 6 為平面和共形陣列天線的阻抗特性的仿真結(jié)果， 可以看出平面陣列天線輸入阻抗的實部和虛部在2 GHz附近都有明顯的起伏， 明顯偏離50 Ω和0 Ω的范圍， 處于失配狀態(tài). 天線共形后， 其輸入阻抗的實部曲線位于50 Ω阻值附近. 雖然大于2.5 GHz后， 其值出現(xiàn)上下起伏， 但浮動范圍較小， 不超過25 Ω. 另外， 隨著頻率的增加， 共形天線輸入阻抗的虛部也逐漸趨近于0 Ω， 可以認為在1.812～2.901 GHz 的頻段上實現(xiàn)了阻抗匹配.

圖 5　串聯(lián)4單元天線陣列的S11Fig.5　Simulated S11 of four elements series-fed antenna arrays

圖 6　串聯(lián)4單元天線陣列的阻抗特性Fig.6　Simulated impedance characteristics of four elements series-fed antenna arrays

圖 7為圓形貼片半徑r變化對共形陣列S11的影響， 隨著r的增加， 天線的諧振頻率點由1個增至為3個， 且該參數(shù)主要影響天線的低頻段， 當r=5 mm時， 天線-10 dB帶寬最窄， 僅為2.4～2.7 GHz； 當r=5.5 mm時， 天線的帶寬達到最寬. 可見，r對天線共形后的反射特性的影響較為明顯， 是一個敏感的參數(shù).

圖 7　參數(shù)r變化對共形陣列S11的影響Fig.7　Simulated S11 of conformal array for different r

圖 8 給出了連接圓形貼片的微帶天線的寬度w2變化對共形陣列S11的影響. 對于共形結(jié)構(gòu)， 參數(shù)的細微改變都可以影響天線整體的阻抗分布， 而導致失配， 所以無論w2減小或是增加都使得天線的工作帶寬變窄. 當w2=2.5 mm時， 天線反射性能達到最優(yōu).

圖 8　參數(shù)w2變化對共形陣列S11的影響Fig.8　Simulated S11 of conformal array for different w2

2.3　結(jié)果分析

綜上所述， 對跖圓形貼片結(jié)構(gòu)串聯(lián)組成4×1單元的天線陣列可以有效地展寬天線的工作頻帶， 共形后的天線陣列可以進一步改善天線的阻抗特性， 通過優(yōu)化參數(shù)r和w2， 4×1單元共形天線陣列的-10 dB帶寬可以達到1.812～2.901 GHz (相對工作帶寬46.2%).

3　串并聯(lián)4×4單元縱向共形陣列天線

3.1　串并聯(lián)4×4單元平面和共形天線陣列結(jié)構(gòu)

本節(jié)將采用串并結(jié)合的方式實現(xiàn)一個4×4單元的縱向共形天線陣列， 并分析該陣列結(jié)構(gòu)的工作特性. 首先， 采用并聯(lián)的饋電方式， 利用功率分配網(wǎng)絡(luò)連接上文中提出的串聯(lián)天線陣列和饋電端口， 實現(xiàn)串并結(jié)合的4×4單元陣列天線， 平面結(jié)構(gòu)如圖 9(a) 所示. 功率分配網(wǎng)絡(luò)可以實現(xiàn)功率平均分配， 確保每個輻射單元的饋電均等幅同相， 其尺寸為：w3=2.8 mm，l3=10 mm，w4=2 mm，l4=52.6 mm，w5=3.4 mm，l5=10 mm，l6=21.6 mm. 然后將該4×4單元陣列天線按照圓柱方式縱向共形， 即串聯(lián)的子陣列單元與圓柱軸線平行， 子陣之間距離分別為：d2=52 mm，d3=69.2 mm. 4個串聯(lián)的子陣列均勻地分布于圓柱的四周， 圓柱半徑r2為40 mm， 如圖 9(b) 所示.

圖 9　串并結(jié)合4×4單元天線陣列Fig.9　Series parallel 4×4 elements antenna array structure

3.2　天線性能分析

圖 10 為仿真的串并聯(lián)4×4單元平面和共形陣列的S11. 從圖中可以看出， 平面陣列的-10 dB帶寬為2.188～2.803 GHz， 相對工作帶寬為24.6%. 當陣列共形后， 出現(xiàn)了雙頻帶， 帶寬分別為2.316～2.367 GHz和2.588～2.858 GHz. 這是因為在仿真過程中， 不能保證圓柱內(nèi)側(cè)與外側(cè)饋線在位置上完全重合， 有個別的子陣列出現(xiàn)角度偏移， 從而形成了雙頻帶. 圖 11 為圓形貼片半徑r變化對該共形陣列S11的影響， 可以看出r的變化對兩個頻帶都有影響. 隨著r的減小， 第一個頻帶的反射特性變差， 甚至當r=5 mm時， 其S11已經(jīng)大于-10 dB. 但對于第二個頻帶，r的減小卻可以展寬其帶寬， 當r=5mm時， 帶寬為2.57～2.861 GHz.

圖 12 為平面和共形陣列在2.8 GHz的歸一化輻射方向圖. 在x-z面， 平面陣列表現(xiàn)為定向輻射， 主瓣寬度約為20°， 而共形陣列則表現(xiàn)為全向輻射； 在y-z面， 平面和共形陣列具有相同的輻射模式， 最大的輻射方向在210°和330°附近， 主瓣寬度約為30°. 另外， 由于共形后天線單元分布于圓柱的四周， 其輻射也向四周分散， 所以共形陣列天線在x-z面和y-z面的輻射增益普遍小于平面陣列， 但是其x-y面的輻射卻有所增加. 串并聯(lián)4×4單元平面陣列的最大增益為13.3 dBi， 而共形陣列的最大增益則降至7.2 dBi.

圖 10　串并聯(lián)4×4單元天線陣列的S11Fig.10　Simulated S11 of series parallel antenna arrays

圖 11　參數(shù)r變化對4×4單元共形陣列S11的影響Fig.11　Simulated S11 of conformal array for different r

圖 12　串并聯(lián)4×4單元天線陣列的輻射方向圖Fig.12　Simulated radiation patterns of series parallel antenna arrays

3.3　結(jié)果分析

綜上所述， 對跖圓形貼片結(jié)構(gòu)串并聯(lián)4×4單元共形天線陣列可以實現(xiàn)雙頻帶工作模式(2.316～2.367 GHz和 2.588～2.858 GHz)， 且在x-z面可以實現(xiàn)全向輻射， 最大增益為7.2 dBi.

另外， 表 2 總結(jié)比較了本文提出的平面和共形陣列天線的性能. 可以看出， 平面陣列天線具有較高的增益， 但是為定向輻射； 而共形后的天線可以實現(xiàn)全向輻射. 另外， 串聯(lián)4×1單元橫向共形陣列可以實現(xiàn)較寬的工作帶寬. 而串并聯(lián) 4×4 單元縱向共形陣列， 由于子陣列間的匹配以及仿真誤差等因素， 帶寬較窄， 但相對于串聯(lián)聯(lián) 4×1單元橫向共形陣列可以獲得更高的增益.

表 2　平面和共形陣列天線性能的比較Tab.2　Comparison of performance between planar with conformal antenna array

4　結(jié)　論

本文提出的寬帶對跖圓形共形陣列天線結(jié)構(gòu)簡單， 性能良好， 可以通過改變圓形貼片的半徑來控制天線的諧振頻率. 當天線采用串聯(lián)的饋電方式組成4×1單元陣列并以圓柱的方式橫向共形時， 其工作帶寬為1.812～2.901 GHz (相對工作帶寬46.2%)， 比平面陣列的帶寬展寬了14.8%. 而當天線繼續(xù)以串并結(jié)合的饋電方式組成4×4單元陣列， 并以圓柱的方式縱向共形時， 雖然帶寬變窄， 但其設(shè)計便于減小天線尺寸， 提高天線增益， 同樣具有一定的實用價值. 通過調(diào)整該陣列天線的尺寸， 依然可以使其工作在 2.4 GHz 無線局域網(wǎng) (WLAN)頻段， 完全滿足復雜的無線通信設(shè)備的使用需求.