用于單兵手持式終端的平面化四天線系統設計

周文輝

(91404 部隊43 分隊，河北 秦皇島066000)

0 引言

為適應未來戰爭的需要，越來越多的高新技術已經被應用于新型單兵作戰系統當中。由于先進高科技裝備的配備，軍隊的單兵作戰能力被大大提高。 手持式終端同時具備定位、導航、通信以及信息共享等功能，是眾多武器裝備中最為重要的設備之一，在現代戰場中發揮著至關重要的作用[1-2]。 手持式終端除了能夠實現精準導航定位、即時通信等功能，其尺寸和重量也是一個十分重要的指標。天線作為手持式終端設備中實現信息輸入和輸出的關鍵器件，其小型化、輕量化及高集成度的實現可以進一步提高終端設備的便攜性，從而提高單兵作戰的靈活性和高效性。

本文提出了一種用于手持式終端的平面化多天線系統，將天線系統集成在設備的保護蓋板中，進一步提升手持式終端的集成度。

1 問題提出

軍隊使用手持式終端與工業類和消費類手持終端有所不同，除了防水、防摔、防震、防塵等嚴格的技術標準和內部架構之外，衛星導航、衛星定位以及自組網也是一般軍用手持式平板終端中的基本功能要求[3]。

寬帶自組網技術具有很強的靈活性和抗毀性，是建立完善的單兵通信系統的核心技術，被各個國家廣泛地應用于戰略和戰術綜合通信之中[4]。 傳統設計中，自組網天線一般采用水平全向輻射的單極子來實現，并通過外加套筒來增加天線的帶寬[5]，然而這種天線的長度遠遠大于設備的邊長，不利于設備的進一步小型化。 而衛星導航和通信天線一般采用螺旋天線實現上半空間的圓極化覆蓋[6]，雖然導航和通信頻段較高，天線尺寸大大小于自組網天線，但是螺旋天線的帶寬一般較窄，難以被拓寬，而且都是三維結構且獨立封裝，不利于設備集成度的提高。

2 平面化四天線系統設計

考慮到上述提到的收發自組網、衛星導航及衛星通信天線集成度問題，主要設計了一套平面化四天線系統，圖1 給出了所提出的平面化四天線系統的結構示意圖。

該四天線系統中采用的介質基板為相對介電常數為4.4 的FR4 基板，尺寸為220 mm×135 mm×0.8 mm。為保證兩天線之間的隔離度盡量低，收發自組網天線由位于基板正面兩側邊緣的彎折的印刷單極子實現，通過兩根金屬線連接到金屬轉軸上，轉軸通過一側的金屬線連接到轉接腔的內部導電區域。單極子的饋電部分包括一個串聯的8.2 nH 電感以及一個并聯2.2 pF 的電容，可以用來進一步提升自組網天線的端口阻抗匹配。

由文獻[7]可知，線極化天線可以被用于郊區作業手持終端設備中更好地實現衛星導航和通信的功能，因此，本設計中采用位于基板垂直對稱線上的水平極化印刷偶極子實現衛星天線。 其中，衛星通信天線位于衛星導航天線的上方，兩個引向器在調節偶極子阻抗匹配的同時有助于增強其上半空間的輻射。導航天線由一個加激勵的蝶形偶極子和兩個寄生金屬條組成，寄生金屬條也可以起到阻抗匹配和方向圖調節的作用。而偶極子本身也可以作為衛星通信天線的反射器起到反射作用。

考慮實際使用情況，仿真模型中加入了介電常數為2.9 的天線罩。 由于主板地板的尺寸與自組網天線工作頻段的波長可以比擬，會影響單極子的阻抗匹配，因此，實際仿真中需加入主板地板進行整體優化。

圖1 平面化四天線系統仿真結構示意圖

3 仿真和實測結果

對以上提出的平面四天線系統進行了加工及測試，圖2 給出了天線的實物照片。

圖3 和圖4 給出了各天線的駐波測試與仿真結果的對比，對比結果顯示，兩者較為吻合。

圖2 平面化四天線系統的加工實物圖

圖3 左側自組網天線的駐波仿真及測試結果對比圖

圖4 衛星導航和通信天線的駐波仿真與測試對比圖

測試結果表明，自組網天線可以覆蓋360～725 MHz，帶內隔離度為10 dB 以上。 衛星導航天線可以覆蓋1.11～1.65 GHz，可以覆蓋四大導航系統的大部分工作頻段。 衛星通信天線的工作頻帶為1.95～2.25 GHz，可以覆蓋S 波段衛星通信的上下行頻段。

天線的遠場測試結果顯示，自組網天線方向圖略有傾斜， 但水平方向的平均增益在大部分帶內大于0 dB(見表1)。衛星導航和通信天線均為上半空間輻射，如圖5 所示。

表1 自組網天線水平方向平均增益的仿真和實測結果

圖5 衛星導航及通信頻段代表頻點方向圖

4 結論

傳統手持式終端設備的天線設計中，自組網、衛星導航及衛星通信天線大部分是呈柱狀且獨立封裝，一定程度上限制了設備的集成度的提高及重量的減輕。本文提出將天線平面化設計并將其集成到設備的保護蓋板中，實驗結果表明，該平面化四天線系統可以完全覆蓋自組網、衛星導航及通信頻段，并在對應頻段實現需要的輻射性能。未來需要進一步解決的是自組網收發天線之間隔離度的提高。