加載輻射體異形機載天線的設計

張志端，李思敏，曹衛平，王定雄，孫成杰

(桂林電子科技大學 天線與射頻研究中心，廣西 桂林 541004)

0 引言

機載天線多用于飛機與陸地控制塔臺空地通信、與空中其他飛行器的聯絡[1-3]。隨著機載天線的發展，VHF/UHF頻段的機載天線應用越來越廣泛，研究和設計小型化寬帶化機載天線已經成為當前研究的熱點。

線形雙錐天線[4-5]屬于寬帶天線的一種，但是由于其結構限制，很難適應機載天線低剖面的要求。蝶形天線是雙錐天線的一個變種，它不僅結構重量輕，設計成本較低，且本身就是低剖面結構，能夠減少天線所需物理空間[6-8]。常規蝶形天線在飛機上使用時，在實現小型化、寬帶化的要求上，仍受到空間限制，同時還需考慮機載天線定向輻射的要求。

依托實際的工程項目需求，通過研究在蝶形天線基礎上進行同平面內加載三角形小輻射體，在不增加天線橫向尺寸的基礎上展寬了天線的阻抗帶寬，同時結合寬帶巴倫饋電技術，有效實現了機載蝶形天線的小型化設計。

1 天線設計

1.1 基本原理分析

蝶形天線是有限長雙錐天線的平面形式，結構示意如圖1所示。

圖1 傳統蝶形天線結構示意

天線主要結構參數為天線長度h，天線張角α。蝶形天線的特性阻抗Zc可以表示為：

(1)

由式(1)可知，隨著天線張角α的增大，天線特性阻抗變化較為平滑，從而實現天線的寬帶特性。在工程應用上一般取夾角大小在80°～120°之間比較適宜[4-6]。

1.2 輻射體結構設計

傳統蝶形天線雖然有寬帶特性[7-9]，但整體尺寸較大，同時機載天線對天線尺寸有嚴格要求，所以必須對天線進行小型化設計。常規小型化思想，主要是考慮延長電流在主輻射體上的流通路徑，在相同尺寸內增加輻射體面積，實現天線的小型化[10-11]。本文設計了一種在不增加天線整體尺寸的情況下，在蝶形天線側面加載一個三角形輻射體的天線。加載的三角形輻射體，邊長L1，L2形成夾角α1，可以增大蝶形天線的α角，改變天線的輸入阻抗，對天線的阻抗進行匹配。側面加載的輻射體，沒有增加天線的物理尺寸，同時可以增加天線輻射面積和電流的流經路徑。此結構設計在理論上能夠實現天線的寬帶化和小型化并提高天線增益，天線正面模型結構如圖2所示。

圖2 天線正面模型結構

為了實現天線的定向輻射且得到較高的增益，降低外界對天線的電磁干擾，給天線加上三面金屬背腔。天線整體結構模型如圖3所示。三面金屬背腔分別為底面和左右2個側面。金屬背腔高度H影響天線的輻射特性，當金屬背腔高度H=λ/4時，金屬背腔反射回來的波與輻射波進行疊加，其中λ為天線的低頻段工作頻率對應的波長[12]。在三面金屬板上進行鏤空設計，可以減小電磁波在側壁的反射，而且由于金屬背腔重量減少，天線的整體重量降低，背腔選用厚度為1.5 mm的鋁板制成。

圖3 天線整體結構模型

1.3 饋電巴倫設計

蝶形天線是對稱的平衡結構，因此需要對天線進行平衡饋電[13-15]。在饋電端采用不平衡-平衡的饋電方式，使天線處在平衡饋電狀態。本文設計的蝶形天線饋電阻抗為80 Ω，外部饋電輸入阻抗為50 Ω，故需要在饋電端對天線進行匹配。設計了一個寬帶指數漸變巴倫，利用指數漸變線完成從不平衡-平衡的饋電方式轉換，實現天線和傳輸線之間平衡傳輸[16-18]。同時寬帶饋電巴倫起到一個阻抗變換的作用，進行了阻抗匹配，進一步對天線帶寬進行拓寬。指數漸變巴倫結構如圖4所示，W0為平行雙線輸出端連接天線的金屬導帶寬度，W1為50 Ω微帶線輸入端寬度，W3為微帶線地端的寬度。

圖4 指數漸變巴倫結構

1.4 天線實物

根據理論分析，利用仿真軟件進行模型設計和優化得到最優化結構，并進行實物制作。天線選用介電常數為4.4，厚度為1.6 mm的普通FR4印制板設計制作；饋電巴倫選用介電常數為4.4，厚度為3.2 mm的FR4印制板制作。實物天線整體如圖5所示。經過掃參、優化設計后，天線結構和平衡巴倫的結構尺寸參數值如下：R=152 mm，L1=109 mm，L2=93 mm，L=319.5 mm，W=300 mm，H=138 mm，W0=2.8 mm，W1=4.5 mm，W2=46.0 mm。

圖5 實物天線整體

2 結果分析

根據制作的天線與平衡巴倫，進行組裝后并測試。得到天線實測和仿真反射系數如圖6所示。

圖6 天線實測和仿真反射系數

仿真和實測結果表明，在200～400 MHz頻段內，S11都小于-10 dB。說明在蝶形天線側面添加小輻射體，能夠增加天線在低頻端的電流路徑，使天線的電長度增大，相當于拓展了低頻段的帶寬。由圖6可知，天線具備較好的駐波特性，相對帶寬達到67%。同時，對天線增益進行測試，在整個頻段內增益都在4 dB以上，天線增益曲線如圖7所示。

圖7 天線增益曲線

實際加工制作的板材與標準的理想板材相比，電磁特性更為復雜，這對天線的性能產生一定的影響，導致實測增益比仿真增益略低。

在200～400 MHz頻段內設置3個頻點來觀察天線輻射方向，如圖8所示，分別取1(200 MHz)，2(300 MHz)，3(400 MHz)。

圖8 天線輻射方向圖

由圖8可知，天線的最大方向圖與仿真的趨勢相一致，后瓣方向圖與仿真結果有所差異，產生差異的原因是測量不夠準確。天線工作頻率較低，方向圖測試是在室外空曠的場地，在天線方向圖尾瓣測量時，由于待測天線的尾瓣接收電平變得很低，人為地旋轉天線會增大數據的誤差，同時外界環境也會對測試產生影響，導致實測的天線方向圖尾瓣與仿真差異較大。

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3 結束語

本文設計并制作在蝶形天線同平面內側邊加載輻射體，有效地利用加載輻射體延長電流的流通路徑，增大了天線輻射體面積，展寬天線帶寬的同時提高了天線增益，同時設計寬帶巴倫與金屬背腔均達到設計效果。天線的實測結果證明了設計思路的正確性和有效性，具有一定的工程使用價值。