一種具有內嵌結構的寬頻帶全向天線

吳軍軍 李聰 劉永霞

(中國飛行試驗研究院,陜西西安 710089)

共形天線是一種和載體外形保持一致的天線。一架現代飛機至少有20多種甚至更多不同的天線從機身上伸出,這些天線對飛機造成了不可忽視的阻力及增加更多油耗,而且增大了飛機的雷達散射面積。在現代軍事防御系統中,一個典型的額外要求就是,當天線被敵方雷達發射機發射的電磁波照射時不產生后向散射,即天線具有隱身特性。所以迫切需要將這些天線集成到飛機外殼中或與飛機蒙皮共形。

內嵌天線以其輪廓低、風阻小、易于實現與載體共形等特點受到共形設計的青睞。全向性天線是飛機上常用的機載天線,它的最簡單的天線結構是 4/λ單極子天線。本文通過改進單極子天線結構,設計出一種與載體共形的嵌入式全向天線,在0.9GHz～2.5GHz工作頻段內,天線駐波比小于2,水平增益可達-2dBi。

圖2 嵌入盤形天線S參數及方向圖

圖3 嵌入式盤形天線圓盤上刻縫后的剖面圖(H=16mm)

1 天線結構設計

普通的 4/λ單極子天線不但高度較高,而且帶寬較窄。為了降低天線高度,對 4/λ單極子天線進行了頂部加載,使其成為盤形天線大大減小了天線的高度。進一步,通過對盤形天線進行結構優化,使其成為嵌入式天線,與載體共形[1]。嵌入式天線采用柱形的腔體的底面作為接地面,天線輻射體位于腔體的上部,由頂部加載的圓盤和介于圓盤與接地面之間的環形縫隙組成[2],即便如此,嵌入式盤形天線的帶寬仍然比較窄。為了能夠展寬天線的工作帶寬,并且使最大輻射方向偏向水平方向,天線結構需要進行進一步優化改進。

1.1 嵌入式盤形天線

嵌入式盤形天線的基本結構如圖1所示,圖中H表示天線高度。天線采用同軸線在圓盤中心進行饋電。圓盤的中心處為金屬探針,連接同軸內導體。利用CST軟件對天線進行仿真,得到S參數和方向圖如圖2所示。

從圖2可以看出,嵌入式盤形天線雖然能夠降低天線的高度但是其帶寬很窄,只有80MHz,且最大輻射方向約為25°,水平增益很小。

1.2 嵌入盤形天線刻縫

為擴展天線帶寬,對天線結構進行進一步改進,如圖3所示。在圓盤上刻縫,將圓盤分解為兩部分:內部的中心圓盤以及外圍的金屬圓環。利用軟件對其仿真,得到S參數及方向圖4所示。

從圖4(a)中可以看出,圓盤刻縫后,天線帶寬從80MHz增加到150MHz,帶寬仍舊很窄。從圖4(b)中可以看出,最大輻射方向的角度未發生太大變化,仍為25°,水平增益較小。因此,需要采取措施對天線結構進行進一步改進,在擴展天線帶寬的同時改善天線方向圖,提高水平面增益。

1.3 刻縫后的嵌入盤形天線加入接地棒

圖4 刻縫后嵌入式盤形天線的S參數及方向圖

圖6 嵌入式盤形天線加入接地棒后的S參數及方向圖

圖5 嵌入式盤形天線加入接地棒的剖面圖(H=16mm)

圖7 饋電針改為漸變結構的天線剖面圖

在外圍金屬環之間加入4個接地棒[3],如圖5所示。這樣,原來嵌入式盤形天線就變成了圖5所示的天線結構。利用軟件對該結構的天線進行仿真,得到S參數及方向圖如圖6所示。

由圖6可以看出,嵌入式盤形天線加入接地棒后天線的帶寬大大增加,大約為1024MHz。最大輻射方向的角度已經降下來,變為40°,水平增益為-2.5dBi。但是仍然不能滿足指標要求,還需要進一步對天線結構進行改進。

1.4 將饋電針改為漸變結構

漸變結構是展寬天線帶寬,制作UWB系統天線時常采用的技術方法[3]。將饋電針改變為漸變結構后的天線的剖面圖如圖7所示。利用軟件對其仿真,調整各個參數可以得到較好的天線性能。

2 仿真結果

根據上文進行分析,對比多種結構對天線性能的影響,得到天線的最優結構:天線高度為中心頻率波長的0.11倍,即,H=22.23mm,采用橢圓加梯形的漸變結構。整個結構的上表面設計能夠保證與載體表面共形。天線的輸入阻抗設計在50左右,采用同軸電纜直接垂直饋電。該內嵌式全向天線的電壓駐波比仿真結果如圖8所示,方向圖(1.5GHz)的仿真結果如圖9所示。

由圖8圖9可以看出,天線水平增益大于-2dBi,且具有很好的水平全向性,最大輻射方向在45°左右。

圖9 天線H面E面方向圖

圖8 天線駐波比仿真結果

3 結語

基于嵌入式盤形天線本文設計出了一種具有低剖面、寬頻帶的全向天線。該天線是在嵌入式盤形天線的基礎上,進行刻縫、加接地棒和采用漸變結構的饋電針等,在減少天線高度的前提下實現了天線的內嵌、寬頻帶以及較高的水平增益。經過仿真,在0.93GHz～2.5GHz工作頻段內,該天線的電壓駐波比小于2,最大輻射方向在45°左右,水平面增益大于-2dBi,滿足設計指標要求。

[1]Kraus J D , Marhefka R J. Antennas: For all applications,third Edition[M]. 北京:電子工業出版社,2006,576-577.

[2]張東峰,朱新民,安保新.一種C波段全向天線的設計[J].電子科技,2013,26(8):74-75,79.

[3]俱新徳,趙玉軍.實用天線工程技術[M].西安:西安電子科技大學出版社,2015,322-324.