X波段金屬背腔天線的設(shè)計(jì)與仿真

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(shè)計(jì)與仿真

官 偉

（華東電子工程研究所,合肥 230031）

設(shè)計(jì)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(jié)構(gòu)，利用AnsoftHfss軟件對(duì)該天線進(jìn)行了仿真優(yōu)化，仿真結(jié)果顯示，在整個(gè)工作頻帶內(nèi)，該天線的輻射性能較好，天線駐波帶寬達(dá)40%，滿足使用的要求，設(shè)計(jì)思路和設(shè)計(jì)方法具有很好的應(yīng)用前景。

金屬;背腔天線;設(shè)計(jì)

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(diǎn)，已被廣泛應(yīng)用各航天、航空等領(lǐng)域。隨著現(xiàn)代通信以及導(dǎo)航系統(tǒng)的飛速發(fā)展，對(duì)天線的要求也越來越高。

本文設(shè)計(jì)的天線采用全金屬背腔形式，相對(duì)于微帶背腔天線而言，全金屬背腔天線在增加帶寬的同時(shí)，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(jié)構(gòu)

天線結(jié)構(gòu)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(jié)構(gòu)，為了增加帶寬，在金屬貼片下部加一個(gè)金屬匹配塊。背腔內(nèi)、金屬貼片和匹配塊之間均無介質(zhì)填充。

在背腔天線設(shè)計(jì)中，可以通過調(diào)整各結(jié)構(gòu)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(gè)設(shè)計(jì)參數(shù)中，金屬貼片的長度與寬度這兩個(gè)參數(shù)對(duì)天線特性影響較大。金屬貼片的長度主要影響天線整個(gè)頻帶內(nèi)增益的起伏。當(dāng)固定其他設(shè)計(jì)參數(shù)時(shí)，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(duì)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(huì)導(dǎo)致帶內(nèi)駐波增大。根據(jù)這些規(guī)律，可以調(diào)整各個(gè)設(shè)計(jì)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(jié)構(gòu)圖

2 設(shè)計(jì)與仿真

在設(shè)計(jì)了天線的各項(xiàng)基本參數(shù)后，借助高頻仿真軟件HFSS17.0對(duì)天線系統(tǒng)進(jìn)行了仿真分析與優(yōu)化設(shè)計(jì)。在設(shè)計(jì)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(shè)計(jì)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(shè)計(jì)時(shí)中心頻率設(shè)定為10GHz，其對(duì)應(yīng)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(gè)金屬匹配塊才能將天線的阻抗帶寬調(diào)到一個(gè)較理想的結(jié)果，而且金屬匹配塊 的大小對(duì)駐波帶寬影響較大。通過進(jìn)一步優(yōu)化，得到了較為滿意的仿真結(jié)果。圖2為天線的駐波比曲線，由圖形可以看出在整個(gè)X波段駐波在2.1以下。圖3為天線在低頻和高頻的遠(yuǎn)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(yuǎn)場輻射方向圖仿真曲線

3 結(jié)束語

本文設(shè)計(jì)的X波段金屬背腔天線的主要結(jié)構(gòu)特點(diǎn)是采用全金屬結(jié)構(gòu)，相對(duì)于微帶背腔天線而言，損耗小、效率高。通過對(duì)天線的仿真分析可以得出整個(gè)X波段VSWR＜2.1，天線駐波帶寬達(dá)40%。由天線遠(yuǎn)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(jié)構(gòu)簡單，便于集成，易于加工，設(shè)計(jì)思路和設(shè)計(jì)方法具有很好的應(yīng)用前景。

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

官偉,女,碩士,高級(jí)工程師,主要研究方向?yàn)樘炀€與微波工程系統(tǒng)設(shè)計(jì)。