陳　雪，蘇晉榮，張文梅

(1.山西大學(xué) 物理電子工程學(xué)院，山西 太原 030006；2.太原師范學(xué)院 物理系，山西 太原 030619)

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共形于圓柱載體的串聯(lián)陣列天線性能研究

陳雪1,2，蘇晉榮1，張文梅1

(1.山西大學(xué) 物理電子工程學(xué)院，山西 太原 030006；2.太原師范學(xué)院 物理系，山西 太原 030619)

本文提出一種新型的可共形于圓柱載體的陣列天線.采用共面波導(dǎo)(CPW)串聯(lián)饋電的方法實(shí)現(xiàn)了較寬的工作帶寬.在此基礎(chǔ)上，研究了圓柱形載體對該共形陣列天線性能的影響.結(jié)果表明：沒有載體時(shí)，共形陣列天線的-10 dB帶寬為2.1～3.45 GHz(相對工作帶寬48.6 %)，最大增益為5.4 dBi.加載相對介電常數(shù)介于1～8之間、厚度介于0～12 mm之間的柱形圓管載體后，該共形陣列天線依然滿足覆蓋無線局域網(wǎng) (WLAN) 2.4～2.48 GHz的帶寬要求，并且可以在 -60 ℃～100 ℃的環(huán)境溫度下工作，滿足目前復(fù)雜的無線通信設(shè)備的使用需求.

圓柱載體；共形陣列天線；共面波導(dǎo)；串聯(lián)饋電；圓形縫隙

隨著無線通信技術(shù)的飛速發(fā)展，星載、艦載、彈載雷達(dá)和航空航天等領(lǐng)域?qū)残翁炀€的性能要求越來越高，研究成果也較多[1-9].如文獻(xiàn)[1]分析了共形天線陣列的輻射和散射性能.文獻(xiàn)[2]對球表面共形天線陣列的相位補(bǔ)償做了研究.文獻(xiàn)[3]提出了一種應(yīng)用于60 GHz的矩形貼片共形陣列，并分析了陣列的輻射特性.此外，串聯(lián)方式饋電的陣列設(shè)計(jì)也是目前研究的熱點(diǎn).文獻(xiàn)[4-7]提出串聯(lián)切比雪夫多項(xiàng)式排列的陣列天線，可以達(dá)到更好的阻抗匹配、展寬帶寬.文獻(xiàn)[8]采用長度變化的串聯(lián)偶極子，將陣列天線的相對帶寬改善至28.6 %.文獻(xiàn)[9]利用雙層指形微帶傳輸線，既實(shí)現(xiàn)了寬的帶寬，又減小了天線的旁瓣電平.上述串聯(lián)饋電的陣列結(jié)構(gòu)簡單、易于匹配.另外，由于應(yīng)用場合不同，共形天線的載體形狀、材質(zhì)的變化會對其性能產(chǎn)生影響，而此方面的研究成果卻不多.

本文采用串聯(lián)組陣、共面波導(dǎo)饋電的形式，實(shí)現(xiàn)了一種寬帶共形陣列天線，并分析了所加載載體對天線性能的影響.結(jié)果表明：不加載柱形圓管時(shí)，該共形陣列天線-10 dB帶寬為2.1～3.45 GHz，在2.45 GHz 處有最大增益為5.4 dBi.加載柱形圓管后，雖然陣列天線的諧振頻率隨管材的相對介電常數(shù)的增加而減小，帶寬隨管材厚度的增加而變窄，但當(dāng)管材的相對介電常數(shù)介于1～8之間、厚度介于0～12 mm 之間時(shí)，其依然滿足覆蓋WLAN 2.4～2.48 GHz的帶寬要求.

1　共面波導(dǎo)饋電的串聯(lián)天線陣列設(shè)計(jì)

本文提出的共面波導(dǎo)饋電的串聯(lián)天線陣列結(jié)構(gòu)如圖1所示.考慮到要將天線陣列共形，所以選取柔韌性強(qiáng)、易彎折的介質(zhì)基板，其厚度為0.75 mm，相對介電常數(shù)為3.3，損耗角正切為0.001.圖1(a) 為陣列單元的基本結(jié)構(gòu)，即在共面波導(dǎo)傳輸線的外導(dǎo)體中心位置上蝕刻兩個(gè)半徑為r的對稱的圓形縫隙，然后用一個(gè)長度為l1的矩形縫隙將該圓形縫隙與CPW縫隙相連接.圖1(b) 為天線單元的側(cè)視圖.將上述天線單元串聯(lián)成4×1的天線陣列，相鄰天線單元的圓形縫隙中心相距w3，其結(jié)構(gòu)如圖1(c) 所示.本文利用電磁仿真軟件HFSS對此對稱圓形縫隙天線陣列的參數(shù)進(jìn)行優(yōu)化，優(yōu)化后結(jié)構(gòu)參數(shù)如表1所示.

圖1　共面波導(dǎo)饋電的串聯(lián)天線陣列結(jié)構(gòu)Fig.1　The CPW series-fed antenna array structure

參數(shù)ww1w2ll1rghεrw3數(shù)值/mm605.04.510018.5150.40.753.3100

圖2　參數(shù)w3變化對天線陣列S11的影響Fig.2　Simulated S11 for different w3

將天線單元串聯(lián)為4單元陣列時(shí)，陣列間距w3是一個(gè)影響天線性能的敏感參數(shù).圖2為w3變化對天線陣列S11的影響，從中可以看出，隨著w3的增加，陣列的諧振頻率減小.當(dāng)w3=90 mm時(shí)，-10 dB帶寬為2.65～3.2 GHz，S11的最小值為-16 dB；而當(dāng)w3=110 mm時(shí)，-10 dB帶寬為2.15～2.8 GHz，S11的最小值達(dá)到-28 dB.本文選定w3為100 mm，此長度約為該介質(zhì)上的共面波導(dǎo)工作在2.4 GHz 時(shí)的一個(gè)導(dǎo)波波長，此時(shí)，所有的陣列單元以相同的振幅和相位饋電，可以作為一個(gè)駐波陣列，-10 dB帶寬為2.28～2.94 GHz (相對工作帶寬25.3 %).

2　無載體時(shí)共形陣列天線的性能分析

圖3　4單元共形陣列天線結(jié)構(gòu)圖Fig.3　4 elements conformal antenna array structure

本節(jié)中，將上述串聯(lián)4單元陣列天線彎折為圓柱形結(jié)構(gòu).圖3為無載體時(shí)該共形陣列天線的結(jié)構(gòu)圖，圓柱半徑為69 mm，4個(gè)縫隙單元等間隔均勻分布于圓柱的四周.圖4給出了圓形縫隙半徑r變化對該陣列天線S11的影響.圖4中顯示，當(dāng)r為14.7 mm和15.3 mm時(shí)，2.9～3 GHz頻段的S11均大于-10 dB，此時(shí)陣列天線出現(xiàn)了雙頻帶.當(dāng)r為15 mm時(shí)，第4諧振頻率減小至2.95 GHz，雙頻帶合并為一個(gè)較寬的工作頻帶 (2.1～3.45 GHz)，相對帶寬為48.6 %.

圖5為仿真的阻抗特性.該共形陣列在4個(gè)諧振頻率(2.15 GHz,2.45 GHz,2.8 GHz,2.95 GHz)處的電阻值均為50 Ω，且在2.1 GHz～3.45 GHz整個(gè)頻段上，其輸入阻抗的實(shí)部和虛部分別在50 Ω和0 Ω阻值附近上下起伏，浮動范圍較小，上下起伏不超過25歐姆，可以認(rèn)為在此頻段上天線陣列實(shí)現(xiàn)了阻抗匹配.

圖4　參數(shù)r變化對共形陣列天線S11的影響Fig.4　Simulated S11 of conformal antenna array for different r

圖5　共形陣列天線的阻抗特性Fig.5　Simulated impedance characteristics

圖6為共形陣列在2.45 GHz處的3D輻射方向圖.因?yàn)?個(gè)天線單元均勻分布于圓柱體表面，所以在圓柱表面與每個(gè)單元垂直的方向上均有較大輻射，最大增益為5.4 dBi.圖7為共形陣列在2.45 GHz處的主極化輻射方向圖，從中可以看出，其x-z平面的輻射主瓣在0°附近，寬度約為80°；而y-z面較強(qiáng)的輻射分布在20°,100°,200°和280° 4 個(gè)角度附近.

圖7　共形陣列在2.45 GHz的主極化輻射方向圖Fig.7　The Co-polarization radiation pattern at 2.45 GHz

3　圓柱形載體對共形陣列天線性能的影響

在實(shí)際應(yīng)用中，天線會和復(fù)雜的載體共形，所以本節(jié)對上述共形陣列天線的魯棒性進(jìn)行了分析.將陣列天線與一根柱形圓管共形，討論圓管的厚度、材料以及環(huán)境溫度變化對天線性能的影響.

首先選定柱形圓管的相對介電常數(shù)εr=2.2，管子的厚度從0 mm逐漸增加至12 mm，圖8給出柱形圓管厚度變化對陣列天線S11的影響.隨著管子厚度的增加，陣列天線的工作頻帶向低頻段移動，中心頻率減小.當(dāng)管子厚度增加至12 mm時(shí)，天線的-10 dB帶寬為1.95～2.68 GHz.圖9為柱形圓管厚度變化時(shí)陣列天線在2.45 GHz的主極化方向圖，從中可以看出，柱形圓管厚度改變對天線在x-z面的主極化方向圖影響不大，但是隨著圓管厚度的增加，y-z面120°附近的輻射減小.另外，陣列天線的增益隨著圓管厚度的增加而增大，當(dāng)圓管厚度為12 mm時(shí)，陣列天線的最大增益達(dá)到5.6 dBi.

圖8　柱形圓管厚度變化對陣列天線S11的影響Fig.8 Simulated S11 for different thickness of pipe

圖9　柱形圓管厚度變化時(shí)陣列天線的主極化方向圖Fig.9　Simulated radiation pattern for different thickness of pipe

圖10為柱形圓管選用不同材料時(shí)陣列天線的S11.圓管的厚度設(shè)為2 mm，考慮到常用載體材質(zhì)，此處選擇相對介電常數(shù)分別為2.2，6.5和8.如圖10所示，陣列的 -10 dB工作帶寬分別為2.05～2.8 GHz,1.9～2.6 GHz,1.95～2.55 GHz.可見，加載柱形圓管后，陣列天線的帶寬隨著圓管相對介電常數(shù)εr的增加而變窄.圖11為柱形圓管選用不同材料時(shí)陣列天線在2.45 GHz的主極化方向圖，從中可以看出：隨著相對介電常數(shù)εr的增加，天線在x-z面的輻射減小，而在y-z面則表現(xiàn)出定向的輻射模式.當(dāng)εr=8時(shí)，天線在y-z面270°附近有最大增益，為6.4 dBi.

圖10　柱形圓管材料變化對陣列天線S11的影響Fig.10　SimulatedS11 for different materials of pipe

圖11　柱形圓管材料變化時(shí)陣列天線的主極化方向圖Fig.11　Simulated radiation pattern for different materials of pipe

最后分析環(huán)境溫度對共形天線陣列的影響.通信用的陣列天線通常會加載在電瓷材料載體的表面，而電瓷材料的相對介電常數(shù)、損耗角正切等電氣性能往往會隨著溫度而變化，從而影響天線性能.本文選用厚度為2 mm的硅質(zhì)電瓷材料作為共形陣列天線的載體[10].圖12為環(huán)境溫度變化對天線陣列S11的影響，當(dāng)天線周邊溫度等于或低于室內(nèi)溫度時(shí) (t≤20 ℃)，共形陣列天線具有相似的S11曲線，說明低溫環(huán)境對該天線的反射特性影響不大.但是隨著溫度的升高，電瓷材料的相對介電常數(shù)和損耗角正切都明顯增加[10]，天線低頻段工作帶寬被展寬.當(dāng)t=100 ℃高溫時(shí)，天線的 -10 dB工作帶寬為1.86～2.64 GHz，且2.7 GHz附近頻段的S11減小至 -9 dB.圖13為環(huán)境溫度變化時(shí)天線陣列在2.45 GHz的主極化方向圖.當(dāng)t≤20 ℃時(shí)，天線陣列的輻射模式和增益幾乎沒有變化，最大增益為6.28 dBi；當(dāng)t=100 ℃時(shí)，天線陣列的輻射減小，最大增益降至4.05 dBi.

圖12　環(huán)境溫度變化對陣列天線S11的影響Fig.12　Simulated S11 for different temperature

圖13　環(huán)境溫度變化時(shí)陣列天線的主極化方向圖Fig.13　Simulated radiation pattern for different temperature

4　結(jié)　論

本文提出了一種共面波導(dǎo)串聯(lián)饋電的共形陣列天線，其以駐波陣列的方式工作可以獲得較寬的工作帶寬.此外，分析了共形載體對陣列天線性能的影響，仿真結(jié)果表明：該陣列天線可以與塑料 (εr=2.4～4.75)、橡膠 (εr=2～3)、有機(jī)玻璃 (εr=3.9～4.1)、金剛石 (εr=5.5～8)等多種材料的不同厚度的柱形圓管載體共形，并且可以工作在不同的溫度環(huán)境下，完全滿足目前復(fù)雜的無線通信設(shè)備的使用需求，具有一定的實(shí)用性.

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Research on Performance of Cylindrical Conformal Array Antenna with Series-Fed

CHEN Xue1,2,SU Jinrong1,ZHANG Wenmei1

(1.College of Physics and Electronics Engineering,Shanxi University,Taiyuan 030006,China；2.Dept.of Physics,Taiyuan Normal University,Taiyuan 030619,China)

In this paper,a novel conformal antenna array for cylindrical structure is proposed.By employing the method of coplanar waveguide (CPW) series-fed,a wide bandwidth is realized.Then,based on that the effect of cylindrical carrier on the performance of the conformal antenna array is studied.The results show that the -10 dB bandwidth of the conformal antenna array without cylindrical carrier is from 2.1 GHz to 3.45 GHz (the relative bandwidth is 48.6 %).The maximum gain reaches 5.4 dBi.when the antenna array is conformal in cylindrical tube with different relative dieletric constant(εr= 1～8),different thickness (0～12 mm),it can still meet the bandwidth demand of from 2.4 GHz to 2.48 GHz wireless local area network(WLAN).And the usage requirement of currently complex wireless communication equipment,also,it can work under the environment temperature from -60 ℃ to 100 ℃.

cylindrical carrier; conformal antenna array; coplanar waveguide; series-fed; circular slot

1671-7449(2016)05-0422-05

2016-03-05

國家自然科學(xué)基金資助項(xiàng)目(61271160)；教育部高校博士點(diǎn)基金資助項(xiàng)目(20121401110009)；山西省青年科技基金資助項(xiàng)目(2014021021-1)

陳雪(1981-)，女，講師，博士生，主要從事無線通信系統(tǒng)的天線設(shè)計(jì)研究.

TP928

Adoi：10.3969/j.issn.1671-7449.2016.05.010