雷達作為一種通過電磁波來進行目標(biāo)檢測、定位和識別的電子設(shè)備，早在二戰(zhàn)誕生之初便被軍方廣泛使用。在現(xiàn)代戰(zhàn)爭中，雷達參與并支持著戰(zhàn)爭的決策，同時科技的不斷發(fā)展推動著雷達的發(fā)展。隨著科技的發(fā)展，雷達的探測目標(biāo)不斷更新，雷達需要應(yīng)對隱身探測、低空掠防突破、電磁雜波干擾、微波炸彈等威脅，因此，雷達技術(shù)需要不斷發(fā)展用以應(yīng)對。當(dāng)前雷達領(lǐng)域主要有兩類雷達：一為機械掃描雷達，二為相控陣?yán)走_。其中，相控陣?yán)走_具有多發(fā)多收、快速響應(yīng)、結(jié)構(gòu)上易于使天線與雷達集成共形等特點，因此成為當(dāng)今雷達發(fā)展的主流[1]。對于機載相控陣?yán)走_來說，其外部環(huán)境的信息交流和傳遞，必須依靠雷達的天線系統(tǒng)。相控陣天線系統(tǒng)的性能水平，在很大程度上決定了雷達系統(tǒng)的性能表現(xiàn)，甚至直接影響整個航電系統(tǒng)的運行效能。

 

微帶天線在 20 世紀(jì) 70 年代被發(fā)明，并被研究者們不斷優(yōu)化設(shè)計和改動。微帶天線所具有的優(yōu)勢也慢慢被研究者們探索出來，如構(gòu)造簡單、易于分析、易于和其他載體共形等優(yōu)點。而且其饋電網(wǎng)絡(luò)能夠與陣列輻射貼片共面集成于同一介質(zhì)板上，這一優(yōu)點是獨一無二的[2]。

 

根據(jù)國際電信聯(lián)盟制定的無線電規(guī)則第 8 條，X 波段在宇宙空間中廣泛應(yīng)用于真空通訊、廣播衛(wèi)星、特定業(yè)務(wù)通訊衛(wèi)星、地質(zhì)衛(wèi)星探測以及天氣衛(wèi)星觀測等多種用途。因此，研究和設(shè)計一款微帶圓極化天線，在X 波段中的頻段工作，并具備高增益、寬軸比、寬頻帶和緊湊體積等特性，將對實際應(yīng)用產(chǎn)生重要意義和作用。

 

而本次設(shè)計的天線就是選擇使用微帶貼片天線，以便為后續(xù)陣列天線的設(shè)計提供便利。本次設(shè)計的天線工作于 8GHz~10GHz 之間，工作帶寬占總帶寬的 70%。本次設(shè)計中采用不同于其他天線的異形地板，引入三角形擾動結(jié)構(gòu)，改變電流路徑，引入小矩形結(jié)構(gòu)以擴展天線阻抗。同時，采用回型槽和十字槽相結(jié)合，用以調(diào)節(jié)諧振頻率。并通過達索三維全波電磁場仿真工具 CST 對根據(jù)具體設(shè)計指標(biāo)所設(shè)計的 8~10GHz 天線進行仿真并改進。本文將詳細說明建模仿真過程。

 

2 微帶縫隙貼片天線設(shè)計概述

2.1 天線結(jié)構(gòu)概述

本次設(shè)計的天線為雙面的結(jié)構(gòu)，上表面為微帶饋線和加載了回型槽和十字槽的貼片，而下表面則為加載矩形結(jié)構(gòu)和三角形結(jié)構(gòu)的異形地板，本次設(shè)計的微帶饋線采用階梯式的阻抗變換傳輸線。首先是對于矩形微帶天線尺寸的確定。一般的輻射貼片的寬度計算如式 2-1 所示。

 

 

 

其中，c 為光速，εr 為相對介電常數(shù)，fr 為中心頻率。輻射貼片的長度取為 λe/2，其中 λe 由式 2-2 算出。

 

 

 

根據(jù)本次設(shè)計的中心頻率 f=9.1GHz 設(shè)計相關(guān)參數(shù)。

同時，對于這次的阻抗變換傳輸線，采用多節(jié)λ/4 阻抗變換器，由多個長度相同、特性阻抗不等的均勻傳輸線構(gòu)成，具體結(jié)構(gòu)類似于圖 2-1 所示。而寬度可以靠 CST 自帶的計算工具獲得。

 

 

圖 2-1. 阻抗變換傳輸線示意圖

 

3 天線具體建模和參數(shù)設(shè)置

本次設(shè)計的縫隙貼片天線為微帶貼片天線加載異形地板的形式，使用達索三維全波電磁場仿真工具 CST進行仿真設(shè)計，天線的總尺寸為 25mm*30mm*3.15mm，工作頻率范圍為 8.58GHz~10GHz

 

3.1 天線具體建模操作

本次建模采用的是達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 進行建模。本次所設(shè)計的天線帶寬是 8~10GHz 頻段中的一部分，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)計的天線介質(zhì)基板采用相對介電常數(shù)為 3.48 的 RO4350B，厚度為 3.15mm，選中工作欄中的 Brick選項并設(shè)置相關(guān)參數(shù)完成介質(zhì)基板的建模。然后選中上表面的下邊沿中心處并 Local WCS，通過 Align WCS將局部坐標(biāo)系 WCS 移動至下邊沿的中心處。然后通過工作欄中的 Brick 選項，輸入相關(guān)參數(shù)完成饋電線和初始貼片的建模操作，基礎(chǔ)貼片圖像如圖 3-1 所示。

 

 

圖 3-1. 上表面基礎(chǔ)貼片示意圖

 

然后是在之前的基礎(chǔ)上進行縫隙加載的操作，選擇上表面的貼片中心通過 Align WCS 將局部坐標(biāo)系 WCS 放置于中心處，通過 Brick 操作畫出兩個交叉的矩形，通過布爾操作，將兩個矩形從貼片上減去生成十字縫隙。然后通過 brick 操作在一邊上畫出一個矩形，通過 rotate 操作將矩形沿著 w 軸旋轉(zhuǎn)出 3 個相同的矩形，通過布爾操作的 Add 操作將四個矩形相加，再通過布爾操作的 substract 選項將之前的形狀去除，生成回型縫隙，最后生成加載了十字型縫隙和回型縫隙的上表面貼片。貼片圖像如圖 3-2 所示。

 

 

圖 3-2. 上表面加載縫隙示意圖

 

而對于異形地板，通過 Align WCS 將局部坐標(biāo)系 WCS 移動到下表面的下邊沿，先通過工作欄中的 brick 操作生成基礎(chǔ)的矩形地板和矩形結(jié)構(gòu)，設(shè)置材料為 PEC，然后通過 Curves 操作中的 line 畫出一個封閉的三角形曲線，通過 extrude 操作將三角形曲線變?yōu)橐粋€三角形的地板。最后通過布爾操作的 Add 操作將所有結(jié)構(gòu)相加到一起，最終下表面如圖 3-3 所示。

 

 

圖 3-3. 下表面異形地板示意圖

 

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

本文設(shè)計天線工作頻率范圍為 8GHz~10GHz 之間，所以設(shè)置頻率范圍為 8GHz~10.5GHz，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)顯示從大約 8.58GHz 到 10GHz 的曲線均處于-10dB 以下，符合設(shè)計要求。而且可以達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

 

 

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 8.58GHz 到10GHz 的頻率范圍內(nèi)，該天線電壓駐波比低于 2.0，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

 

 

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 9.1075GHz 時，最大增益為 5.906dB，符合設(shè)計要求。

 

 

圖 4-5. F=9.1075GHz 天線增益圖

 

通過觀察電場方向和磁場方向，可以通過工具欄中的 Polar，然后定義 Farfield Plot properties，獲得 E 場方向圖和 H場方向圖，如圖 4-6、圖 4-7 所示。

 

 

圖 4-6. E 場方向圖

 

 

圖 4-7. H 場方向圖

 

5 結(jié)論

本文以達索三維全波電磁仿真工具 CST 為載體，針對實現(xiàn)覆蓋 8.58GHz~10GHz 的天線這一問題，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：達索官方