三頻段嵌入式共形天線設計

袁楠 吳軍軍 劉永霞

摘要：共形天線是機載天線的發展方向之一，可以使天線與飛機蒙皮共形，實現天線的隱身化，減小飛機的飛行阻力，越來越多被使用，本文提出的共形天線，是可以與無人機等載體共形的嵌入式天線，天線高度低，但可以實現水平面全向，且可以在三個頻率段工作。

關鍵詞：共形;垂直極化;三頻段

中圖分類號：TN823 文獻標識碼：A 文章編號：1007-9416（2019）12-0147-02

0 引言

天線是現代飛行器上必不可少的組成部分，例如飛機的的通信、導航、敵我識別、電子戰、雷達等設備都離不開天線。共形天線是一種特殊的天線形式，它是指天線的外形可以與載體的外表面共形的天線，也就是說天線的表面外形是由載體的氣動外形或功能外形所確定的，而不是由天線的電磁外形所確定。一般的通信天線為垂直極化天線，要求水平面具有全向方向圖，所以設計時將天線設計成垂直高度較高的刀型結構[1]，基本形狀類似與飛機的垂尾，在飛行中天線不僅會增大飛機的雷達散射截面，還會降低飛機的機動作戰的能力。如果改變天線的結構形式，使天線可以與飛機的某些表面共形，將天線隱藏起來，這樣就使天線變成了共形天線。近年來航空技術快速發展，越來越多的飛機提出了共形天線的需求，使得共形天線變成了研究熱點問題。

1 共形中的三頻段天線設計

一架飛機上往往會裝有多副天線，一般為20多副，對于軍用飛機有可能多達70多副[2]，這些天線只有極少部分安裝在機身內部，絕大多數都突出在機身外部，外部安裝的天線，一般需要配套突出機身的天線罩，使天線免受外部氣動載荷的影響。飛機上的這些傳統的天線，無論安裝在哪里，都會對飛機的氣動特性產生不利的影響，并且增大飛機的雷達散射截面（RCS），降低天線的隱形能力。所以，從改善飛機的氣動外形和降低RCS角度出發，都希望對傳統的天線加已改進，采用嵌入式共形天線，嵌入式共形天線具有低剖面的特點，可以安裝在飛機表面而不增加額外的飛行風阻。

本文設計一款工作在UHF頻段三個頻點的垂直極化天線，要求該天線在水平面具有全向的方向圖，同時天線需嵌入安裝到載體上保持共形。共形的要求使得天線的總高度較低，腔體深度為9mm，腔體大小為208mm×84mm，天線設計時輻射體的不得突出腔體表面，這相比該天線最低工作頻段波長760mm來說，天線空間尺寸非常小，屬于電小天線設計范疇，所以傳統的嵌入盤形結構無法滿足這么小的尺寸要求[3]。本文采用環形縫隙結構實現天線的電小，并采用雙接地柱設計實現電小天線的諧振工作。為了滿足天線三個頻點工作要求，通過在環形縫隙結構內部增加寄生枝節，產生了兩個新的諧振模式，分別在中頻和高頻形成了兩個所需的諧振點。同時由于天線的電小特性，天線的匹配也是一個難點，本文采用耦合饋電方式，對環形縫隙結構和寄生枝節提供感性加載，提高天線的匹配能力。最終天線的基本結構如圖1所示。

2 三頻段天線分析

天線的基本結構已經確定，需要對天線的詳細尺寸進行設計，并且由于天線是窄帶多頻點天線，所以要對主要影響天線諧振頻率點和駐波比的參數進行分析。經過大量的仿真論證發現，影響天線諧振頻率點的參數有很多，但影響較大的參數較為單一，低端諧振頻率點主要受到縫隙環的周長S影響，S值增大，諧振頻率點降低;中段諧振頻率點主要受到上寄生枝節長度YL4影響，當YL4長度增加時，中段諧振點較大向低頻較大幅度移動，高頻諧振點較小幅度向低頻移動，如圖2所示;高端諧振頻率點主要由下寄生枝節長度YL1影響，當下寄生枝節長度增加時，高頻諧振向低頻較大幅度的移動，中頻諧振點有較小幅度的移動;天線中心的耦合饋電方式對諧振點的電壓駐波比影響較大，當改變耦饋電寬度LY3時，天線的諧振點電壓駐波比會整體移動，如圖3所示。

3 天線性能測試

通過第三節對天線的主要參數進行分析，確定了影響天線諧振頻率和電壓駐波比的關鍵因素，所以對天線的各個參數進行優化，根據天線的諧振頻率點要求，進行仿真計算，最終天線的電壓駐波比如圖4所示，天線在393.3Mhz、552.8Mhz、576.6Mhz諧振。各頻點的方向圖如表1所示，天線的方向圖在水平面具有全向性，隨著頻率的升高，天線的方向圖逐步上翹，但仍能滿足使用要求。

根據上述理論的分析，設計了嵌入式共形天線的樣機，三維圖如圖5所示，天線環形輻射部分采用聚四氟乙烯板制作，并在中間開方形槽，垂直耦合通過方槽從天線環形輻射部分中心槽中穿出。天線殼體采用鋁合金機械加工而成，中間形成內腔用于安裝輻射體，外部設計法蘭用于共形天線與飛機蒙皮的嵌入式共形安裝。

4 結語

本文提出的嵌入式共形天線，是在電小天線的基礎上實現嵌入式共形，由于電小天線的特點，Q值較高，實現天線的垂直極化和寬帶化均較困難，本文采用環形縫隙設計方法，并增加了寄生直接，實現了所需的三個頻段的有效設計，最終設計了一款高度僅9mm，但最低可以工作在393Mhz的嵌入式共形天線。

參考文獻

[1] 錢志偉，王忍.一種刀形機載天線的結構設計[J].通信對抗，2013，32（02）：51-53.

[2] 朱松.共形天線的發展及其電子戰應用[J].中國電子科學研究院學報，2007（06）：562-567.

[3] 聶在平.天線工程手冊[M].西安電子科技大學出版社，2014：237.

Three-band Embedded Conformal Antenna Design

YUAN Nan，WU Jun-jun，LIU Yong-xia

（Chinese Flight Test Establishment， Xi'an? Shaanxi? 710089）

Abstract：Conformal antennas are one of the development directions of airborne antennas， which can make the antenna conform to the skin of the aircraft， realize the stealth of the antenna， reduce the flight resistance of the aircraft， and are increasingly used. The antenna is an embedded antenna that can be conformed to a carrier such as a drone. The antenna height is low， but it can achieve omnidirectional horizontal planes， and it can work in three frequency bands.

Key words：conformal antenna;vertical polarization;three-band antenna