雷达作为一种通过电磁波来进行目标检测、定位和识别的电子设备，早在二战诞生之初便被军方广泛使用。在现代战争中，雷达参与并支持着战争的决策，同时科技的不断发展推动着雷达的发展。随着科技的发展，雷达的探测目标不断更新，雷达需要应对隐身探测、低空掠防突破、电磁杂波干扰、微波炸弹等威胁，因此，雷达技术需要不断发展用以应对。当前雷达领域主要有两类雷达：一为机械扫描雷达，二为相控阵雷达。其中，相控阵雷达具有多发多收、快速响应、结构上易于使天线与雷达集成共形等特点，因此成为当今雷达发展的主流[1]。对于机载相控阵雷达来说，其外部环境的信息交流和传递，必须依靠雷达的天线系统。相控阵天线系统的性能水平，在很大程度上决定了雷达系统的性能表现，甚至直接影响整个航电系统的运行效能。

 

微带天线在 20 世纪 70 年代被发明，并被研究者们不断优化设计和改动。微带天线所具有的优势也慢慢被研究者们探索出来，如构造简单、易于分析、易于和其他载体共形等优点。而且其馈电网络能够与阵列辐射贴片共面集成于同一介质板上，这一优点是独一无二的[2]。

 

根据国际电信联盟制定的无线电规则第 8 条，X 波段在宇宙空间中广泛应用于真空通讯、广播卫星、特定业务通讯卫星、地质卫星探测以及天气卫星观测等多种用途。因此，研究和设计一款微带圆极化天线，在X 波段中的频段工作，并具备高增益、宽轴比、宽频带和紧凑体积等特性，将对实际应用产生重要意义和作用。

 

而本次设计的天线就是选择使用微带贴片天线，以便为后续阵列天线的设计提供便利。本次设计的天线工作于 8GHz~10GHz 之间，工作带宽占总带宽的 70%。本次设计中采用不同于其他天线的异形地板，引入三角形扰动结构，改变电流路径，引入小矩形结构以扩展天线阻抗。同时，采用回型槽和十字槽相结合，用以调节谐振频率。并通过达索三维全波电磁场仿真工具 CST 对根据具体设计指标所设计的 8~10GHz 天线进行仿真并改进。本文将详细说明建模仿真过程。

 

2 微带缝隙贴片天线设计概述

2.1 天线结构概述

本次设计的天线为双面的结构，上表面为微带馈线和加载了回型槽和十字槽的贴片，而下表面则为加载矩形结构和三角形结构的异形地板，本次设计的微带馈线采用阶梯式的阻抗变换传输线。首先是对于矩形微带天线尺寸的确定。一般的辐射贴片的宽度计算如式 2-1 所示。

 

 

 

其中，c 为光速，εr 为相对介电常数，fr 为中心频率。辐射贴片的长度取为 λe/2，其中 λe 由式 2-2 算出。

 

 

 

根据本次设计的中心频率 f=9.1GHz 设计相关参数。

同时，对于这次的阻抗变换传输线，采用多节λ/4 阻抗变换器，由多个长度相同、特性阻抗不等的均匀传输线构成，具体结构类似于图 2-1 所示。而宽度可以靠 CST 自带的计算工具获得。

 

 

图 2-1. 阻抗变换传输线示意图

 

3 天线具体建模和参数设置

本次设计的缝隙贴片天线为微带贴片天线加载异形地板的形式，使用达索三维全波电磁场仿真工具 CST进行仿真设计，天线的总尺寸为 25mm*30mm*3.15mm，工作频率范围为 8.58GHz~10GHz

 

3.1 天线具体建模操作

本次建模采用的是达索三维全波电磁场仿真工具 CST，版本为 2016 版，且本次建模为贴片天线。因此，选择 CST 工具中的 MWs 工作室中 antenna 中的 planar 进行建模。本次所设计的天线带宽是 8~10GHz 频段中的一部分，因此属于宽带，根据经验，选择时域求解器作为求解器。在设置各项单位时，长度单位一般设置为 mm，频率设置为 GHz，时间设置为 ns。

 

本次设计的天线介质基板采用相对介电常数为 3.48 的 RO4350B，厚度为 3.15mm，选中工作栏中的 Brick选项并设置相关参数完成介质基板的建模。然后选中上表面的下边沿中心处并 Local WCS，通过 Align WCS将局部坐标系 WCS 移动至下边沿的中心处。然后通过工作栏中的 Brick 选项，输入相关参数完成馈电线和初始贴片的建模操作，基础贴片图像如图 3-1 所示。

 

 

图 3-1. 上表面基础贴片示意图

 

然后是在之前的基础上进行缝隙加载的操作，选择上表面的贴片中心通过 Align WCS 将局部坐标系 WCS 放置于中心处，通过 Brick 操作画出两个交叉的矩形，通过布尔操作，将两个矩形从贴片上减去生成十字缝隙。然后通过 brick 操作在一边上画出一个矩形，通过 rotate 操作将矩形沿着 w 轴旋转出 3 个相同的矩形，通过布尔操作的 Add 操作将四个矩形相加，再通过布尔操作的 substract 选项将之前的形状去除，生成回型缝隙，最后生成加载了十字型缝隙和回型缝隙的上表面贴片。贴片图像如图 3-2 所示。

 

 

图 3-2. 上表面加载缝隙示意图

 

而对于异形地板，通过 Align WCS 将局部坐标系 WCS 移动到下表面的下边沿，先通过工作栏中的 brick 操作生成基础的矩形地板和矩形结构，设置材料为 PEC，然后通过 Curves 操作中的 line 画出一个封闭的三角形曲线，通过 extrude 操作将三角形曲线变为一个三角形的地板。最后通过布尔操作的 Add 操作将所有结构相加到一起，最终下表面如图 3-3 所示。

 

 

图 3-3. 下表面异形地板示意图

 

3.2 激励源设置

在建模完毕的情况下，将需要根据经验来设置激励源，使用 Waveguide port 进行激励源设置，对于这种微带线，波端口的下边缘必须与上表面重合。假设微带线的线宽为 w，介质层厚度为 h，则波端口高度一般设置为 6~10h；当 w≥h 时，波端口的宽度一般设置为 10w，当 w<h 时，波端口的宽度一般设置为 5w 或 3~4h。

 

3.3 天线其他条件设置

本文设计天线工作频率范围为 8GHz~10GHz 之间，所以设置频率范围为 8GHz~10.5GHz，background 设置为 Normal，边界条件设置为 open(add space)，求解器的网格设置为 Hexahedral，准确值设定为-40dB。

 

4 仿真结果导出与分析

第一步是最主要的 S 参数分析，如图 4-1 所示。图中的 S 参数显示从大约 8.58GHz 到 10GHz 的曲线均处于-10dB 以下，符合设计要求。而且可以达索三维全波电磁仿真工具 CST 支持导出数据以供 origin、matlab 等画图软件绘制曲线。通过工具栏中的 Post Processing 中的 Import/Export 导出对应的 S11 参数值，参数值以文本形式保存于电脑中，以便导入其他绘图软件，具体如图 4-2 所示，前一列为频率，后一列为损耗值。

 

 

图 4-1. 天线回波损耗图

 

 

图 4-2. 部分回波损耗参数表

 

第二步就是对于 VSWR（电压驻波比）的数据后处理，如图 4-3 所示。在图中可以看出在 8.58GHz 到10GHz 的频率范围内，该天线电压驻波比低于 2.0，符合设计要求，同时也可以通过导出数据的文本形式用于在其他绘图软件中进行数据后处理，导出文本如图 4-4 所示，前一列为频率，后一列为驻波比值。

 

 

图 4-3. 天线电压驻波比图

 

 

图 4-4. 部分电压驻波比参数表

 

最后便是查看天线增益是否符合要求。本次设计在回波损耗的最低点设置了 monitor，如图 4-5 所示，当频率为 9.1075GHz 时，最大增益为 5.906dB，符合设计要求。

 

 

图 4-5. F=9.1075GHz 天线增益图

 

通过观察电场方向和磁场方向，可以通过工具栏中的 Polar，然后定义 Farfield Plot properties，获得 E 场方向图和 H场方向图，如图 4-6、图 4-7 所示。

 

 

图 4-6. E 场方向图

 

 

图 4-7. H 场方向图

 

5 结论

本文以达索三维全波电磁仿真工具 CST 为载体，针对实现覆盖 8.58GHz~10GHz 的天线这一问题，在电磁 MWs 工作室中，建立了伞状缝隙印刷天线仿真模型。通过设置对应激励源和求解器，仿真出天线的回波损耗和电压驻波比以及特定频率的电磁场方向图。

 

然而，值得注意的是，虽然仿真结果在理论上是理想化的，但与实际测试存在一定的差异。在电磁仿真领域的后续研究中，我们可以采用其他介质材料或采用其他形状的缝隙来进一步提升天线的效率和性能。为了实现这一目标，在未来的工作中，我们需要建立更完善的模型，并选择合适的激励源。这需要有深厚的理论基础和丰富的工程实践经验，并且需要技术人员之间的密切合作。

 

资料来源：达索官方