X波段金属背腔天线的设计与仿真

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摘 要：设计并仿真了一种在X波段工作的金属背腔天线。其为全金属结构，利用AnsoftHfss软件对该天线进行了仿真优化，仿真结果显示，在整个工作频带内，该天线的辐射性能较好，天线驻波带宽达40%，满足使用的要求，设计思路和设计方法具有很好的应用前景。

关键词：金属；背腔天线；设计

DOI：10.16640/ki.37-1222/t.2016.22.005

0 引言

从提出背腔天线概念以来，由于它重量轻、剖面低、容易与各种有源器件集成等优点，已被广泛应用各航天、航空等领域。随着现代通信以及导航系统的飞速发展，对天线的要求也越来越高。

本文设计的天线采用全金属背腔形式，相对于微带背腔天线而言，全金属背腔天线在增加带宽的同时，也避免了印制板带来的损耗，有效地提高了天线的效率。

1 天线结构

天线结构如下图1所示，天线制作在金属贴片上。金属贴片上开H型缝隙，采用50欧姆同轴馈电。缝隙下方为背腔结构，为了增加带宽，在金属贴片下部加一个金属匹配块。背腔内、金属贴片和匹配块之间均无介质填充。

在背腔天线设计中，可以通过调整各结构参数获得所需要的阻抗特性和方向图特性。在背腔天线各个设计参数中，金属贴片的长度与宽度这两个参数对天线特性影响较大。金属贴片的长度主要影响天线整个频带内增益的起伏。当固定其他设计参数时，金属贴片的长度越长，则高频端的驻波表现越好，反而言之，若金属贴片的长度越短，则低频端的驻波表现越好。金属贴片的宽度参数对天线的阻抗带宽性能影响较大，一般来说天线的阻抗带宽随着金属贴片的宽度变大而变宽，但会导致带内驻波增大。根据这些规律，可以调整各个设计参数，确定出金属贴片的长度、宽度以及背腔尺寸等参数。

2 设计与仿真

在设计了天线的各项基本参数后，借助高频仿真软件HFSS17.0对天线系统进行了仿真分析与优化设计。在设计中，根据确定好的金属贴片的长度、宽度以及背腔尺寸各设计参数初始值，经过优化仿真最终确定其他参数值。天线的工作频率为X波段，因此设计时中心频率设定为10GHz，其对应的自由空间波长为300mm。优化过程中可以发现，只有在金属贴片下面加一个金属匹配块才能将天线的阻抗带宽调到一个较理想的结果，而且金属匹配块 的大小对驻波带宽影响较大。通过进一步优化，得到了较为满意的仿真结果。图2为天线的驻波比曲线，由图形可以看出在整个X波段驻波在2.1以下。图3为天线在低频和高频的远场辐射方向图，由图形可以看出天线的辐射特性较好。

3 结束语

本文设计的X波段金属背腔天线的主要结构特点是采用全金属结构，相对于微带背腔天线而言，损耗小、效率高。通过对天线的仿真分析可以得出整个X波段VSWR

参考文献：

[1]钟顺时.微带天线理论与技术（第2版）[M].北京：电子工业出版社，2015.

[2]朱杨.一种加载金属背腔的宽波束相控阵天线单元设计[J].雷达与对抗，2016，36（01）：41-43.

[3]Joseph J.Carr.实用天线手册（第五版）[M].北京：电子工业出版社，2015.

作者简介：官伟，女，硕士，高级工程师，主要研究方向为天线与微波工程系统设计。