引言

1886 年，德國德國物理學(xué)家 H.R.Hertz 建立了第一個現(xiàn)代通信系統(tǒng)，即天線系統(tǒng)[1]。在一年后，他又通過實驗證明了在空間中確實存在電磁波，帶動了現(xiàn)代通信的發(fā)展。而到了二十世紀(jì)的第二年，無線電也迎來了新的時代，意大利被稱為“現(xiàn)代無線電通信之父”的 G.Marconi 成功實現(xiàn)了大西洋兩端的無線電通信。

 

現(xiàn)如今，在飛機上，天線是無線電電子設(shè)備的重要組件，其性能直接影響飛機的通信、導(dǎo)航和控制系統(tǒng)。因此，機載天線的研究對于確保飛機的安全和可靠性至關(guān)重要。隨著無線電技術(shù)的不斷發(fā)展，機載天線的設(shè)計和制造也在不斷進(jìn)步，以提高其性能和可靠性。而且天線的尺寸與結(jié)構(gòu)決定了天線對信號的接收能力，因此對于機載天線的研究也影響著航空航天事業(yè)的發(fā)展。

 

飛機上存在著眾多種類的天線工作在不同的頻段，而小型化、集成化的高度發(fā)展以及通信設(shè)備的增加，致使眾多天線只能擁有有限的安裝空間。其中的無線電高度表更是重中之重。無線電高度表一直被用來測量飛行器與地面相對高度的重要測量設(shè)備，因此被廣泛應(yīng)用于飛行器領(lǐng)域。飛行器不管是處于起飛著陸階段，還是處于低空巡航階段，都非常依賴無線電高度表的運作，一旦無線電高度表失靈，飛行器將會存在墜毀的風(fēng)險。而微帶貼片天線因其具有低剖面、易共形等特點，非常受研發(fā)者的青睞，常常被用于制作高度表天線。而且一般來講，高度表天線會安裝于飛行器下方機腹的位置。如果采用剖面過大的天線，對于無人機此類小型飛行器而言，無疑是不可取的，過大的尺寸會導(dǎo)致飛行器受到更強的阻力，以及本就狹小的安裝空間可能無法容納過大的天線，因此小型化尤為重要。

 

微帶天線輻射基本是從貼片開路邊沿的邊緣場引起的，在垂直于微帶天線方向能夠產(chǎn)生最大輻射[2]，而這一點恰恰是飛行器無線電高度表所需要的特性。

 

基于微帶貼片天線被廣泛應(yīng)用于高度表天線的設(shè)計，本文也提出了一種傘狀縫隙印刷天線，工作于 4.2GHz~4.4GHz，且在此頻段內(nèi)電壓駐波比小于等于 1.8，且不同于普通的傘狀天線，本文在提出的天線雙臂上加載了兩個等寬的縫隙，用以引起振子的諧振特性發(fā)生變化，調(diào)節(jié)振子的諧振頻率。

 

2 傘狀縫隙天線設(shè)計

2.1 傘狀縫隙天線結(jié)構(gòu)概述

本次設(shè)計的傘狀縫隙印刷振子天線為雙面的結(jié)構(gòu)，上表面為加載了縫隙的傘狀結(jié)構(gòu)的振子，而下表面則是作為平衡器的饋電巴倫。

 

在設(shè)計印刷振子的輻射臂時，采用了等效半徑的概念，，等效為半徑為 D，長度為 2le 的對稱振子，而中心饋電的帶狀振子的等效半徑如式 2-1 所示，其中 w 是帶狀振子的寬度，t 是線的厚度。

 

 

 

同時巴倫的設(shè)置也至關(guān)重要，巴倫作為一種將平衡雙導(dǎo)線接到非平衡同軸線的器件，起到了把流入電纜屏蔽層外部的電流扼制掉的作用，本文利用傳輸線的理論，對平衡饋電部分進(jìn)行分析，并給出了等效電路，如圖 2-3 所示。

 

 

圖 2-3. 平衡饋電等效電路

 

 

3 天線具體建模和參數(shù)設(shè)置

本次設(shè)計的傘狀縫隙天線為印刷貼片天線，使用達(dá)索三維全波電磁場仿真工具 CST 進(jìn)行仿真設(shè)計，天線的總尺寸為 130mm*58mm*1.5mm，工作頻率范圍為 4.2GHz~4.4GHz

 

3.1 天線具體建模操作

本次建模采用的是達(dá)索三維全波電磁場仿真工具 CST，版本為 2016 版，且本次建模為貼片天線。因此，選擇 CST 工具中的 MWs 工作室中 antenna 中的 planar 進(jìn)行建模。本次所設(shè)計的天線帶寬是 C 頻段，因此屬于寬帶，根據(jù)經(jīng)驗，選擇時域求解器作為求解器。在設(shè)置各項單位時，長度單位一般設(shè)置為 mm，頻率設(shè)置為 GHz，時間設(shè)置為 ns。

 

本次設(shè)計的介質(zhì)基板采用的是相對介電常數(shù)為 2.65，厚度為 1.5mm 的介質(zhì)材料，選中工作欄中的 Brick選項并定義相關(guān)參數(shù)即可完成基板的建模，同時，在建模過程中可以選擇 New Materials 在 Epsilon 中輸入相應(yīng)的相對介電常數(shù)值導(dǎo)入新的材料。

 

完成基板建模后，選中上表面并 Local WCS，之后選擇 Align WCS 進(jìn)行后續(xù)的貼片振子建模操作。本次設(shè)計的貼片振子雙臂不同于其他的振子，是呈開口狀向兩邊延伸的，因此可以先選中中間貼片上邊沿的中點，使用 Align WCS 將局部坐標(biāo)系 WCS 調(diào)整到相應(yīng)位置然后再選擇工具欄中的 curves 選項，選擇其中的line 選項，通過相關(guān)參數(shù)定義需要的直線，將直線圍成封閉的曲線之后，就可以通過 extrude 操作生成一個貼片，再通過 mirror 操作將其沿 x 軸對稱，最后使用布爾操作的 Add 操作即可生成基礎(chǔ)的貼片，如圖 3-1 所示。

 

 

圖 3-1. 基礎(chǔ)貼片上表面圖

 

在完成基礎(chǔ)貼片建模后，就需要在原來的基礎(chǔ)上進(jìn)行縫隙加載。使用 Local WCS 創(chuàng)建局部坐標(biāo)系，使用brick 操作和布爾操作在雙臂上挖出兩個寬 3mm 的縫隙。然后再通過選中上邊沿的中點，通過 brick 操作和布爾操作，在中間加工出一個類魚骨狀的縫隙，其中兩個橫槽相隔 1.5mm，寬度 2mm。最終生成如圖 3-2 所示的貼片圖樣。

 

 

圖 3-2. 加載縫隙貼片上表面圖

 

對于饋電線，首先通過 CST 工具自帶的 Marcos 中 Calculate 的 thin microstrip 對各段饋線進(jìn)行阻抗計算，通過調(diào)整饋線寬度獲得較為確切的饋線參數(shù)，之后通過局部坐標(biāo)系 WCS 的操作和布爾操作將生成的 brick 相加在一起，所有的饋線材料設(shè)置均為 PEC，由此可以獲得如圖 3-3 所示的下表面。

 

 

圖 3-3. 天線下表面示意圖

 

3.2 激勵源設(shè)置

在建模完畢的情況下，將需要根據(jù)經(jīng)驗來設(shè)置激勵源，使用 Waveguide port 進(jìn)行激勵源設(shè)置，對于這種微帶線，波端口的下邊緣必須與上表面重合。假設(shè)微帶線的線寬為 w，介質(zhì)層厚度為 h，則波端口高度一般設(shè)置為 6~10h；當(dāng) w≥h 時，波端口的寬度一般設(shè)置為 10w，當(dāng) w<h 時，波端口的寬度一般設(shè)置為 5w 或 3~4h。

 

3.3 天線其他條件設(shè)置

因為本文設(shè)計的天線的工作頻帶為 4.2GHz~4.4GHz，因此設(shè)置頻率范圍為 3.8GHz~4.8GHz，頻率范圍不宜過大或過小，background 設(shè)置為 Normal，邊界條件設(shè)置為 open(add space)，求解器的網(wǎng)格設(shè)置為 Hexahedral，準(zhǔn)確值設(shè)定為-40dB。

 

4 仿真結(jié)果導(dǎo)出與分析

第一步是最主要的 S 參數(shù)分析，如圖 4-1 所示。圖中的 S 參數(shù)顯示從 4.2GHz 到4.4GHz 的曲線均處于10dB 以下，符合設(shè)計要求。而且可以達(dá)索三維全波電磁仿真工具CST 支持導(dǎo)出數(shù)據(jù)以供 origin、matlab 等畫圖軟件繪制曲線。通過工具欄中的 Post Processing 中的 Import/Export 導(dǎo)出對應(yīng)的 S11 參數(shù)值，參數(shù)值以文本形式保存于電腦中，以便導(dǎo)入其他繪圖軟件，具體如圖 4-2 所示，前一列為頻率，后一列為損耗值。

 

 

圖 4-1. 天線回波損耗

 

 

圖 4-2. 部分回波損耗參數(shù)表

 

第二步就是對于 VSWR（電壓駐波比）的數(shù)據(jù)后處理，如圖 4-3 所示。在圖中可以看出在 4.2GHz~4.4GHz的頻率范圍內(nèi)，該天線電壓駐波比低于 1.8，符合設(shè)計要求，同時也可以通過導(dǎo)出數(shù)據(jù)的文本形式用于在其他繪圖軟件中進(jìn)行數(shù)據(jù)后處理，導(dǎo)出文本如圖 4-4 所示，前一列為頻率，后一列為駐波比值。

 

 

圖 4-3. 天線電壓駐波比

 

 

圖 4-4. 部分電壓駐波比參數(shù)表

 

最后便是查看天線增益是否符合要求。本次設(shè)計在回波損耗的最低點設(shè)置了 monitor，如圖 4-5 所示，當(dāng)頻率為 4.289GHz 時，最大增益為 4.714dB，符合設(shè)計要求。

 

 

圖 4-5. f=4.289GHz 時的增益圖

 

5 結(jié)論

本文以達(dá)索三維全波電磁仿真工具 CST 為載體，針對實現(xiàn)覆蓋 4.2GHz~4.4GHz 的無線電高度表天線這一問題，在電磁 MWs 工作室中，建立了傘狀縫隙印刷天線仿真模型。通過設(shè)置對應(yīng)激勵源和求解器，仿真出天線的回波損耗和電壓駐波比以及特定頻率的電磁場方向圖。

 

然而，值得注意的是，雖然仿真結(jié)果在理論上是理想化的，但與實際測試存在一定的差異。在電磁仿真領(lǐng)域的后續(xù)研究中，我們可以采用其他介質(zhì)材料或采用其他形狀的縫隙來進(jìn)一步提升天線的效率和性能。為了實現(xiàn)這一目標(biāo)，在未來的工作中，我們需要建立更完善的模型，并選擇合適的激勵源。這需要有深厚的理論基礎(chǔ)和豐富的工程實踐經(jīng)驗，并且需要技術(shù)人員之間的密切合作。

 

資料來源：達(dá)索官方