武警工程大學研究生管理大隊 王懷強

1 引言

目前，SAR基本上是工作在X波段及頻率更高的頻段，由于頻率過高，基本上不能穿透樹葉輻射探測[導師論文]。而UHF波段的SAR輻射的電磁波具有很強的穿透繞射能力，能穿透土壤、樹林等障礙物，探測地下目標的效果較好，是SAR研究的熱點[1]。由于UHF波段頻率較低，所對應工作波長較長，按照常規(guī)的線面天線的設(shè)計，天線的尺寸較大，無法應用到飛機平臺上。因此，研究低剖面、重量輕的天線逐漸成為國內(nèi)外機載天線的研究熱點。

本文設(shè)計的H形天線是雙面印制天線，采用快速集成電路的共面波導金屬絕緣半導體工藝，將厚度極小的金屬薄片分別印刷在介質(zhì)基板的正反兩面，所以兩個天線基本一樣、形狀均是“H”形。該天線剖面低，容易與飛機平臺做到共形。

2 H型天線理論

天線的尺寸和介質(zhì)的介電常數(shù)對天線性能的影響很大，天線的寬度幾近于λ/10，高度接近于λ/5時，改變天線的寬度以及饋電點的位置，可以讓天線工作在一個寬頻帶內(nèi)。與設(shè)計其他UHF天線一樣，在設(shè)計這種天線時，需要模擬一個金屬地板上，存在鏡像效應，才能提高增益，拓展帶寬、改善駐波比[2,3]。

2.1 H形天線的饋電結(jié)構(gòu)

為了防止繞射帶來的理論設(shè)計誤差，采用一種加大外導體外徑的辦法，即在饋電點和地面之間增加一段不連續(xù)性硬同軸線，其特性阻抗不等于50歐姆。使天線與饋線達到阻抗匹配，同時屏蔽了饋線存在的輻射干擾。硬同軸線的一端與傳輸線相連，另一端的內(nèi)導體與天線相連接，外導體則與饋線邊緣相近。圖1為天線的T形饋電結(jié)構(gòu)。

圖1 T形饋電結(jié)構(gòu)

通過延長同軸線內(nèi)導體來給輻射體的兩個無限薄金屬板饋電，外導體則與天線垂直的金屬平面地板連接，為了保證對輻射體饋電的對稱性，應加裝平衡器。軟同軸線的特性阻抗為50Ω，當同軸線直接在H形天線凹槽底部饋電時，天線的特性阻抗對饋電點特別敏感，此時天線的輸入阻抗值 隨頻率變化，在工作頻帶的低頻端，天線的電抗部分較大。此時，天線的駐波值起伏較大，不能滿足設(shè)計要求。

H形天線的底部并不接地，而是與金屬地板間留有一定的間隙，此間隙可等效為一并聯(lián)電容，它將影響H形輻射體在中部饋電點的輸入阻抗。在理想的情況下，天線兩端的電流應為零。實驗結(jié)果表明位于天線底端的電流不為零，原因是底部與地面存在分布電容。通過調(diào)整天線與地面之間的距離變化可改變天線底端分布電容的影響。

2.2 繞射場的影響

外導體接地后，內(nèi)導體有一段長度被孤立延伸出來，與靠近饋電區(qū)的天線底邊產(chǎn)生散射，從而在金屬貼片的底部激勵起二次電流。特別是當采取中饋的方式時，饋電點距接地板較遠，使得同軸內(nèi)導體延長成為一次輻射體。H形貼片天線變成了該輻射體的頂加載，對天線性能影響很大。

當在饋電點位于天線輻射體的中部時，電流I沿金屬貼片和同軸線內(nèi)導體進入天線中部，高頻電流在金屬貼片的周圍產(chǎn)生的繞射電磁場，可以表示為：

3 天線仿真設(shè)計

Ansof t HFSS軟件是一種通用的高頻結(jié)構(gòu)電磁場仿真軟件，其高效、準確的仿真分析，贏得了許多微波工程師的青睞，被廣泛地應用在微波器件的仿真設(shè)計中。本文利用HFSS軟件仿真設(shè)計H型天線，并對天線的主要性能進行分析。

天線的H形貼片長設(shè)置為18.9cm，寬設(shè)置為10cm，H型凹槽設(shè)置為3.5cm，寬設(shè)置為3.3cm。天線的結(jié)構(gòu)是在介電常數(shù)為2.7的H型介質(zhì)基板的兩面鍍上金屬薄片，介質(zhì)基板的厚度設(shè)置為0.14cm，天線的饋電點位于天線的中部，饋線的外導體半徑設(shè)置為0.7cm，長度設(shè)置為為4.2cm，饋線的內(nèi)導體的半徑設(shè)置為0.1cm，長度設(shè)置為4.4cm，加大的同軸線外導體外徑的半徑為1.5cm，外導體和內(nèi)導體之間填充介電常數(shù)為2.1的Tef l on材料，延長內(nèi)導體到天線的中部饋電，掃頻范圍為200－800MHz，中心頻率設(shè)計為350MHz，迭代12次。H形天線的仿真模型如圖2所示。

圖2 H形天線仿真模型

實驗結(jié)果如圖3、圖4所示。

圖3 外圈長度對工作帶寬的影響

圖4 外圈長度對增益的影響

由上圖可以得知T形阻抗變換器的L2等于0.15cm時，天線的增益為2.6186dB，工作帶寬為178MHz，仿真結(jié)果符合機載天線的基本要求。

4 結(jié)束語

本文分析了飛機平臺上的UHF天線的要求，利用HFSS仿真設(shè)計了一款H型天線，并對天線的饋電結(jié)構(gòu)進行了分析，得出了天線的仿真結(jié)果，仿真結(jié)果表明天線的性能符合機載天線的基本要求。

[1]盧曉鵬,張玉梅,倪華.一種用于機載SAR的UHF波段超寬帶天線[J].雷達科學與技術(shù),2004,2(1).

[2]J.J.Lee,S.Livingston,R.Sauer,G.Crandall.A UHF Wide-Band SAR Antenna.IEEE Phased Array Systems and Technology Proceedings,2000:437-440.

[3]李萍,梁昌洪,等.UHF雷達天線饋源的研究[J].西安電子科技大學學報,2004,31(2).