官 偉

（華東電子工程研究所,合肥 230031）

X波段金屬背腔天線的設計與仿真

官 偉

（華東電子工程研究所,合肥 230031）

設計并仿真了一種在X波段工作的金屬背腔天線。其為全金屬結構，利用AnsoftHfss軟件對該天線進行了仿真優(yōu)化，仿真結果顯示，在整個工作頻帶內，該天線的輻射性能較好，天線駐波帶寬達40%，滿足使用的要求，設計思路和設計方法具有很好的應用前景。

金屬;背腔天線;設計

0 引言

從提出背腔天線概念以來，由于它重量輕、剖面低、容易與各種有源器件集成等優(yōu)點，已被廣泛應用各航天、航空等領域。隨著現(xiàn)代通信以及導航系統(tǒng)的飛速發(fā)展，對天線的要求也越來越高。

本文設計的天線采用全金屬背腔形式，相對于微帶背腔天線而言，全金屬背腔天線在增加帶寬的同時，也避免了印制板帶來的損耗，有效地提高了天線的效率。

1 天線結構

天線結構如下圖1所示，天線制作在金屬貼片上。金屬貼片上開H型縫隙，采用50歐姆同軸饋電?？p隙下方為背腔結構，為了增加帶寬，在金屬貼片下部加一個金屬匹配塊。背腔內、金屬貼片和匹配塊之間均無介質填充。

在背腔天線設計中，可以通過調整各結構參數(shù)獲得所需要的阻抗特性和方向圖特性。在背腔天線各個設計參數(shù)中，金屬貼片的長度與寬度這兩個參數(shù)對天線特性影響較大。金屬貼片的長度主要影響天線整個頻帶內增益的起伏。當固定其他設計參數(shù)時，金屬貼片的長度越長，則高頻端的駐波表現(xiàn)越好，反而言之，若金屬貼片的長度越短，則低頻端的駐波表現(xiàn)越好。金屬貼片的寬度參數(shù)對天線的阻抗帶寬性能影響較大，一般來說天線的阻抗帶寬隨著金屬貼片的寬度變大而變寬，但會導致帶內駐波增大。根據(jù)這些規(guī)律，可以調整各個設計參數(shù)，確定出金屬貼片的長度、寬度以及背腔尺寸等參數(shù)。

圖1 天線結構圖

2 設計與仿真

在設計了天線的各項基本參數(shù)后，借助高頻仿真軟件HFSS17.0對天線系統(tǒng)進行了仿真分析與優(yōu)化設計。在設計中，根據(jù)確定好的金屬貼片的長度、寬度以及背腔尺寸各設計參數(shù)初始值，經(jīng)過優(yōu)化仿真最終確定其他參數(shù)值。天線的工作頻率為X波段，因此設計時中心頻率設定為10GHz，其對應的自由空間波長為300mm。優(yōu)化過程中可以發(fā)現(xiàn)，只有在金屬貼片下面加一個金屬匹配塊才能將天線的阻抗帶寬調到一個較理想的結果，而且金屬匹配塊 的大小對駐波帶寬影響較大。通過進一步優(yōu)化，得到了較為滿意的仿真結果。圖2為天線的駐波比曲線，由圖形可以看出在整個X波段駐波在2.1以下。圖3為天線在低頻和高頻的遠場輻射方向圖，由圖形可以看出天線的輻射特性較好。

圖2 天線駐波仿真曲線

圖3 天線遠場輻射方向圖仿真曲線

3 結束語

本文設計的X波段金屬背腔天線的主要結構特點是采用全金屬結構，相對于微帶背腔天線而言，損耗小、效率高。通過對天線的仿真分析可以得出整個X波段VSWR＜2.1，天線駐波帶寬達40%。由天線遠場輻射方向圖看出天線在X波段的輻射特性很好，波束指向沒有偏移。該天線結構簡單，便于集成，易于加工，設計思路和設計方法具有很好的應用前景。

[1]鐘順時.微帶天線理論與技術（第2版）[M].北京：電子工業(yè)出版社,2015.

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10.16640/j.cnki.37-1222/t.2016.22.005

官偉,女,碩士,高級工程師,主要研究方向為天線與微波工程系統(tǒng)設計。