圆柱共形全向圆极化天线的设计与实现

Design and realization of circular polarization cylindrical

conformal antenna with omnidirectional radiation

张艳君，梁晓嘉，赵 波，刘钦凯

ZHANG Yan-jun, LIANG Xiao-jia, ZHAO Bo, LIU Qin-kai

（中国空空导弹研究院，洛阳 471009）

摘 要：设计、分析并制作了工作于X波段的圆柱共形圆极化16元微带天线阵列。天线围绕圆柱体圆周

均匀布置，实现了全向辐射，通过保角变换简化了共形天线阵列的设计，并采用L型微带调配枝节对贴片单元进行匹配，便于组阵, 解决了阵列空间布局不合理的难题。在馈电网络末端进行阻抗调谐，使得共形天线调试简单可靠。测试结果表明，该共形天线阵具有全向覆盖和良好的阻抗特性，从而证实了本文方法的正确性和实用性。该天线具有剖面低、结构紧凑、易于集成、调试简单可靠等优点, 在航空、航天领域中具有良好的应用前景。

关键词：全向；圆极化；圆柱共形；微带天线；天线阵中图分类号：TN828.5 文献标识码：A 文章编号：1009-0134(2018)05-0095-04

0 引言

随着现代通信、军事不断发展，在雷达、通讯及信息对抗领域中，对共形天线的需求越来越强烈。由于共形天线能与飞行器表面共形，不但能较好地适应其空气动力性能，而且不会破坏其机械结构和强度，已被广泛应用于航空、航天等领域。

微带天线具有体积小、重量轻、剖面低、易共形等优点，已经成为共形阵天线单元的主要形式之一。共形微带天线由于具有不额外占用空间、不引入任何附加空气动力阻力、对飞行姿态影响小等优点，使得它在高速运动的物体上，例如火箭、卫星、导弹和各种飞行器等有广阔的应用前景[1,2]。为了保证在激烈摆动或滚动的载体上接收到信号，并尽可能减小信号漏失的影响，适于采用圆极化的形式，因此研究圆柱共形圆极化天线阵具有良好的工程应用前景。

由于传统的单个微带天线的增益及方向性覆盖性有限，可以用微带天线阵列来实现[3]。文献[4]采用微带八木天线结构形式，设计了一种载体的引向天线，并对天

线的增益进行了优化；文献[5]提出了一种利用保距变换设计宽波束圆柱共形毫米波微带天线的方法，并利用保角变换设计了天线的馈线；文献[6]采用旋转对称十字型结构的印刷八木天线为基本单元，设计了一种工作于X波段的弹载宽带圆极化四元阵，微带共形阵列天线性能得到了一定提高。但仍然存在一定问题，如天线体积过大，不易共形，空间布局不太合理，天线集成度较差、天线调试复杂繁琐等。本文采用16元微带贴片天线阵列环绕圆周布局，馈电网络与天线单元集成在同一介质基板上，易于加工和制作，天线阵列调试方法简单可靠，天线样机实用性较强。

1 共形天线单元的设计

图1所示为平面天线辐射单元结构图。其中W为方形贴片单元边长，C为贴片切角边长，l1和l2分别为微带调配枝节长度，εr和h分别为介质基板的相对介电常数和厚度。为方便组阵，贴片单元馈电线采用L型调配枝节进行阻抗匹配[8]。

收稿日期：2017-10-11

作者简介：张艳君（1983 -），女，河南漯河人，工程师，硕士，研究方向为卫星通信天线和圆极化天线技术等。

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图1 平面天线单元结构示意图

方形贴片边长W和切角C的初值可按照式(1)和式(2)确定： Wcεr+1−1=2f˄˅2

(1)r2

∆ssQ0=12（A型） (2)

式中，∆s为切角面积，s为方形贴片面积，Q0为贴片的品质因数，fr为微带天线谐振频率，c为光在真空中的速度。

根据微分几何理论，在曲面的变换中如果变换前后曲面上对应曲线的交角保持不变则该变换为保角变换，如果保持曲面上任意曲线的长度不变则称为保距变换。保距变换属于保角变换，但保角变换不一定是保距变换[5,7]。通过采用如图2所示的保角变换，将图1中的平面天线单元结构变换成共形天线单元结构，变换后的共形天线结构示意图如图3所示。通过引入保角和保距变换来分析共形微带天线的性能，将复杂的几何结构映射到简单结构，大大简化了共形天线及其阵列的设计。

如图2所示为保角变换示意图。对于天线的辐射贴片，保距变换的公式为：

󱱽󱱽 (3)

¹¹[=ÿ䕤󱇘䌈⠛<󱥹󰴄󱷅䴶ҟ䋼󰷎󱵓¶󰀓¶󰀓¶D[5图2 共形天线保角变换示意图

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由平面单元天线经保角变换后的共形天线结构示意图如图3所示。变换后的共形天线单元由方形贴片变为与圆周表面共形的矩形曲面贴片，天线单元及其馈线枝节尺寸变换后均应进行相应调整。

图3 共形天线单元结构示意图

2 共形天线阵列的设计

对于共形阵，圆柱上任一辐射单元产生的辐射方向图都不完全一样，各个单元间的位置关系并不像直线阵或者平面阵一样具有线性关系。各个天线单元在圆柱上的位置不同，将造成单元方向图的最大指向不相同，因此各个天线单元的方向图在同一方向的增益是不同的，阵列方向图叠加将变得复杂得多。

如图4所示为16元圆柱共形阵列天线仿真模型图。16元微带天线单元由四级T型一分二功分器进行并联馈电，实现了天线与馈电网络的一体化设计。共形阵列天线紧贴圆柱圆周排布，在阵列天线边缘采用金属压条对天线进行安装，并使用M2螺钉进行固定，使天线在滚动面上实现了全向覆盖。

图4 16元圆柱共形阵列天线仿真模型

图5给出了16元圆柱共形阵列天线在中心频率处得立体方向图仿真结果，可以看出，该共形阵列天线在整

个空间内最大增益达6.2dBi，最小增益为-18.2dBi。共形阵列天线在圆柱圆周方向增益较强，满足近似全向空间覆盖。

图5 16元圆柱共形阵列天线立体方向图

图6给出了16元圆柱共形阵列天线各单元电场分布图，各单元上电场均沿顺时针旋转分布，在各单元正上方均具备左旋圆极化特性。

图6 16元圆柱共形阵列天线各单元电场分布图

3 共形天线阵列制作及测试分析

为共形天线阵列的实物照片如图7所示。天线制作过程中采用金属敷层表面镀金的方法，馈电方式选用同轴电缆直接馈电，馈电接头为SMA型连接器。天线沿圆柱载体圆周安装时，通过采用共形天线边缘的金属压条和螺钉对天线进行固定和装配。通过调整馈电网络末端的长度，可有效调节共形天线阵列的阻抗匹配情况，该调试方式简单可靠，显著提高了共形天线阵列的设计效率。

(a) 共形天线实物 (b) 共形天线测试状态

图7 共形天线阵列实物照片

用矢量网络分析仪对天线反射系数进行测试，测量及仿真结果如图8所示，可以看到，二者在整个频带内的走势趋于一致，测试电压驻波比曲线与仿真曲线吻合较好，共形天线测试驻波带宽相对仿真结果较宽，驻波比小于1.5的带宽大于0.38GHz，满足了设计要求，同时

也验证了前期的仿真分析工作的正确性。

将被测天线安装在圆柱载体上，在微波暗室中将其架装在二维转台上，分别测量天线的垂直极化和水平极化分量，从而得出其辐射特性。天线增益为两极化分量对应的部分增益的合成，绝对增益通过与线极化标准增益天线BJ100波导比较而得到。

图9和图10分别为测得的共形天线阵列在滚动面、方位面上垂直、水平极化方向图。在滚动面内，除个

图8 共形天线阵列端口驻波曲线对比图

别方向上的凹点外天线增益均在-10dBi以上；在方位面内，由于受到转台转角的影响，在0°方向上增益较低，个别几个方向上凹点较深，但方向对称性较好，绝大部分角度增益均在-10dBi以上。

图11所示为共形天线阵列在滚动面上增益测试与仿真结果对比图。可以看出, 增益仿真曲线和测试曲线吻合较好，除个别几个增益凹点相比仿真结果较深外，其余结果基本一致。由于天线测试时受到转台及安装固定的影响较大，因此会造成天线测试结果与仿真结果有一定偏差，但偏差较小，已完全验证了结果的正确性。

0°1010 00H-polV-pol-10-10-20-20󰀌%G󰀋󰀒-30-30󰳒󰧥󱮍-40270°90°Ⲟ󰹲-30㒓󰻽-20-10010 180°图9 共形天线阵列滚动面垂直、水平极化方向图

0°1010 00H-polV-pol-10-10-20-20󰀌%G󰀋󰀒-30-30󰳒󰧥󱮍-40270°90°Ⲟ󰹲-30㒓󰻽-20-10010 180°图10 共形天线阵列方位面垂直、水平极化方向图

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10 好，表明了本文所述的设计方法的正确性。该天线阵具有剖面低、结构紧凑、易于集成、调试简单等优点，具有很好的实用价值和应用前景。

5󰳚󱷅⒮󰡼䴶󰳚󱵕󰣪󰹲Ⲟ󰘐󰀃󰀋G%L󰀌0参考文献：

[1] 张钧,刘克诚,张贤峰.微带天线理论与工程[M].北京:国防工业

出版社,1998:112-270.

-5-10[2] 钟顺时.微带天线理论与应用[M].西安:西安电子科技大学出版

社,1991:127-220.

⌟䆩󰹲Ⲟӓⳳ󰹲Ⲟ-15[3] 吴慧峰,王建,饶玉如.K波段微带天线阵列设计[J].现代雷

200-20 -200-150-100-50050100150θ(deg)达,2016,38(11):61-65.

[4] 马凯,王应龙,刘晓磊,等.载体微带八木天线的优化设计[J].微波

图11 共形天线阵列滚动面增益对比图

学报,2010,35(3):134-135.

[5] 毛文辉,朱旗,王少永,等.宽波束柱面共形毫米波微带天线设计

4 结论

本文设计了一种16单元圆柱共形圆极化天线阵列，以微带天线为阵元，围绕圆柱体圆周均匀布置，实现了全向辐射。馈电网络和天线单元集成在同一介质基板上，易于加工和制作。通过对馈电网络馈电线末端长度进行调谐，可显著改善天线阵列的阻抗匹配情况，调试方式简单可靠，显著提高了共形天线阵列的设计效率。最后制作出了天线阵，天线测量结果与仿真结果吻合良

[J].电波科学学报,2008,23(2):272-275.

[6] 张彬,许家栋,付鹏,等.一种弹载宽带圆极化天线阵设计[J].电子

设计工程,2014,22(20):75-78.

[7] G.Caille,E.Vourch, and M.J.Martin. Conformal Array Antenna for

Observation Platforms in low Earth Orbit, IEEE Antenna’s and Propagation Magazine,2002,44(3):103-104.

[8] 张艳君,陈爱新.Ka波段高增益圆极化机载微带天线阵的设计与

实现[J].航空学报,2010,31(6):1245-1249.

【上接第63页】

processes for minimizing makespan and carbon footprint[J]. Journal of Cleaner Production,2015,101:337-347.

[10] 何彦,王乐祥,李育锋,等.一种面向机械车间柔性工艺路线的加

工任务节能调度方法[J].机械工程学报,2016,52(19):168-179.[11] 王万良,吴启迪.生产调度智能算法及其应用[M].北京:科学出版

社,2007.

[12] 蒋增强,左乐.低碳策略下的多目标柔性作业车间调度[J].计算

机集成制造系统,2015,21(4):1023-1031.

[13] Davis L. Job Shop Scheduling with Genetic Algorithms[A].

International Conference on Genetic Algorithms[C].L.Erlbaum Associates Inc.1985:136-140.

[14] 周辉仁,郑丕谔,宗蕴,等.基于遗传算法的作业车间调度优化求

解方法[J].计算机应用研究,2008,25(10):2991-2994.

[15] Pezzella F, Morganti G,Ciaschetti G. A genetic algorithm for the

Flexible Job-shop Scheduling Problem[M].Advanced Research on Computer Science and Information Engineering.Springer Berlin Heidelberg,2011:3202-3212.

[16] Driss I, Mouss K N, Laggoun A. A new genetic algorithm for

flexible job-shop scheduling problems[J].Journal of Mechanical Science & Technology,2015,29(3):1273-1281.

[17] 赵诗奎,方水良.基于工序编码和邻域搜索策略的遗传算法优化

作业车间调度[J].机械工程学报,2013,49(16):160-169.

【98】 第40卷 第5期 2018-05