CST软件伞状缝隙印刷天线设计

引言

1886 年，德国德国物理学家 H.R.Hertz 建立了第一个现代通信系统，即天线系统[1]。在一年后，他又通过实验证明了在空间中确实存在电磁波，带动了现代通信的发展。而到了二十世纪的第二年，无线电也迎来了新的时代，意大利被称为“现代无线电通信之父”的 G.Marconi 成功实现了大西洋两端的无线电通信。

 

现如今，在飞机上，天线是无线电电子设备的重要组件，其性能直接影响飞机的通信、导航和控制系统。因此，机载天线的研究对于确保飞机的安全和可靠性至关重要。随着无线电技术的不断发展，机载天线的设计和制造也在不断进步，以提高其性能和可靠性。而且天线的尺寸与结构决定了天线对信号的接收能力，因此对于机载天线的研究也影响着航空航天事业的发展。

 

飞机上存在着众多种类的天线工作在不同的频段，而小型化、集成化的高度发展以及通信设备的增加，致使众多天线只能拥有有限的安装空间。其中的无线电高度表更是重中之重。无线电高度表一直被用来测量飞行器与地面相对高度的重要测量设备，因此被广泛应用于飞行器领域。飞行器不管是处于起飞着陆阶段，还是处于低空巡航阶段，都非常依赖无线电高度表的运作，一旦无线电高度表失灵，飞行器将会存在坠毁的风险。而微带贴片天线因其具有低剖面、易共形等特点，非常受研发者的青睐，常常被用于制作高度表天线。而且一般来讲，高度表天线会安装于飞行器下方机腹的位置。如果采用剖面过大的天线，对于无人机此类小型飞行器而言，无疑是不可取的，过大的尺寸会导致飞行器受到更强的阻力，以及本就狭小的安装空间可能无法容纳过大的天线，因此小型化尤为重要。

 

微带天线辐射基本是从贴片开路边沿的边缘场引起的，在垂直于微带天线方向能够产生最大辐射[2]，而这一点恰恰是飞行器无线电高度表所需要的特性。

 

基于微带贴片天线被广泛应用于高度表天线的设计，本文也提出了一种伞状缝隙印刷天线，工作于 4.2GHz~4.4GHz，且在此频段内电压驻波比小于等于 1.8，且不同于普通的伞状天线，本文在提出的天线双臂上加载了两个等宽的缝隙，用以引起振子的谐振特性发生变化，调节振子的谐振频率。

 

2 伞状缝隙天线设计

2.1 伞状缝隙天线结构概述

本次设计的伞状缝隙印刷振子天线为双面的结构，上表面为加载了缝隙的伞状结构的振子，而下表面则是作为平衡器的馈电巴伦。

 

在设计印刷振子的辐射臂时，采用了等效半径的概念，，等效为半径为 D，长度为 2le 的对称振子，而中心馈电的带状振子的等效半径如式 2-1 所示，其中 w 是带状振子的宽度，t 是线的厚度。

 

 

 

同时巴伦的设置也至关重要，巴伦作为一种将平衡双导线接到非平衡同轴线的器件，起到了把流入电缆屏蔽层外部的电流扼制掉的作用，本文利用传输线的理论，对平衡馈电部分进行分析，并给出了等效电路，如图 2-3 所示。

 

 

图 2-3. 平衡馈电等效电路

 

 

3 天线具体建模和参数设置

本次设计的伞状缝隙天线为印刷贴片天线，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 130mm*58mm*1.5mm，工作频率范围为 4.2GHz~4.4GHz

 

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 C 频段，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。

 

本次设计的介质基板采用的是相对介电常数为 2.65，厚度为 1.5mm 的介质材料，选中工作栏中的 Brick选项并定义相关参数即可完成基板的建模，同时，在建模过程中可以选择 New Materials 在 Epsilon 中输入相应的相对介电常数值导入新的材料。

 

完成基板建模后，选中上表面并 Local WCS，之后选择 Align WCS 进行后续的贴片振子建模操作。本次设计的贴片振子双臂不同于其他的振子，是呈开口状向两边延伸的，因此可以先选中中间贴片上边沿的中点，使用 Align WCS 将局部坐标系 WCS 调整到相应位置然后再选择工具栏中的 curves 选项，选择其中的line 选项，通过相关参数定义需要的直线，将直线围成封闭的曲线之后，就可以通过 extrude 操作生成一个贴片，再通过 mirror 操作将其沿 x 轴对称，最后使用布尔操作的 Add 操作即可生成基础的贴片，如图 3-1 所示。

 

 

图 3-1. 基础贴片上表面图

 

在完成基础贴片建模后，就需要在原来的基础上进行缝隙加载。使用 Local WCS 创建局部坐标系，使用brick 操作和布尔操作在双臂上挖出两个宽 3mm 的缝隙。然后再通过选中上边沿的中点，通过 brick 操作和布尔操作，在中间加工出一个类鱼骨状的缝隙，其中两个横槽相隔 1.5mm，宽度 2mm。最终生成如图 3-2 所示的贴片图样。

 

 

图 3-2. 加载缝隙贴片上表面图

 

对于馈电线，首先通过 CST 工具自带的 Marcos 中 Calculate 的 thin microstrip 对各段馈线进行阻抗计算，通过调整馈线宽度获得较为确切的馈线参数，之后通过局部坐标系 WCS 的操作和布尔操作将生成的 brick 相加在一起，所有的馈线材料设置均为 PEC，由此可以获得如图 3-3 所示的下表面。

 

 

图 3-3. 天线下表面示意图

 

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

因为本文设计的天线的工作频带为 4.2GHz~4.4GHz，因此设置频率范围为 3.8GHz~4.8GHz，频率范围不宜过大或过小，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 4.2GHz 到4.4GHz 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 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 4.2GHz~4.4GHz的频率范围内，该天线电压驻波比低于 1.8，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 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 4.289GHz 时，最大增益为 4.714dB，符合设计要求。

 

 

图 4-5. f=4.289GHz 时的增益图

 

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 4.2GHz~4.4GHz 的无线电高度表天线这一问题，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