一種寬頻帶小型化低剖面天線的設計

陳鵬宇，候宇通，王滿倉

（上海航空機械有限公司，上海 201314）

引言

近年來隨著電子科學技術的不斷發展，無線通信技術也隨著發展浪潮不斷進步。從手機通信基站到飛機、車、船、導彈、衛星等各種載體上，搭載了種類繁多的通訊天線和設備。隨之而來的設備間的相互影響，固定空間下設備的排布等問題也變得十分突出和棘手。

設備向著小型化，多功能化發展，天線也需要適應其發展，特別是在超短波頻段，其波長較長，相應的天線尺寸也很大，這對整個載體的天線布局帶來極大的難度。而且因天線尺寸很大，對高速運動的載體的氣動外形影響也很大，極大限制了其運用環境。因此，迫切的需要在縮小天線尺寸的同時對天線的寬帶化進行研究，目的是使用小型化的天線覆蓋更寬的頻段。

1 天線的設計

傳統倒錐臺形式的天線也稱錐形單極子天線，是一種常見的寬帶天線形式，其錐頂可以是平的，也可以是其他形狀，通過調節錐角（錐角通常使用范圍為60°~100°）可以使其阻抗曲線在很寬的頻帶內保持穩定，實現寬帶特性。天線的工作帶寬只和其尺寸相關，故也稱為頻率無關天線。但是其較大的體積并不適應現在天線發展中的小型化要求。本章研究的主要內容即以錐形單極子天線為基礎，進行小型化設計。

圖1 給出了天線的結構示意圖，如圖所示，天線主要由天線罩、錐形輻射體、短路柱、介質支撐柱、地板構成。在倒錐臺輻射體上添加圓環形式的頂加載結構，頂加載圓環改變了天線輻射體和底板間的分布電容和分布電感，有效地減小了天線的尺寸；短路柱連接天線的頂加載和底板，使天線輻射體和底板短接，進一步減小了天線的尺寸。采用錐形結構作為輻射體，可保證天線在很寬頻帶內具有穩定的阻抗特性；天線的圓環加載結構，在不額外增加天線高度的條件下，增加了天線的有效輻射面積，展寬了天線的低頻帶寬，同時圓環加載結構和地板間形成了電容加載結構，而添加的短路柱結構形成了電感加載，通過優化調整圓環加載的尺寸以及短路柱的粗細、數量和加載位置，可以使天線輸入阻抗在頻帶內更加平坦，實現了天線的小型化和寬頻帶。天線直徑為天線低頻工作頻率的0.3 個空氣波長，天線高度為天線低頻工作頻率的0.1 個空氣波長。

為了進一步縮小天線尺寸，可在短路柱上接入電阻進行加載。電阻加載雖然會犧牲一定的增益，但可以進一步縮小天線尺寸，需在天線增益和尺寸上作平衡。天線直徑可降低到天線低頻工作頻率的0.05 個空氣波長，天線高度為天線低頻工作頻率的0.025 個空氣波長了，天線實現了寬頻帶小型化低剖面的特性。

圖1 天線結構示意圖

為了減輕天線的重量，天線輻射體與圓環頂加載采用整體結構形式，可通過模具沖壓成型，既保證結構尺寸，又提高整體結構強度，避免了鋁板焊接強度較低的問題；圓柱形地板可選用玻璃鋼-蜂窩材質覆銅的結構形式；為了確保天線結構在各種載具環境下的可靠性，天線饋電部分采用螺紋內導體形式的同軸電纜連接器與天線的輻射體進行連接，在天線組裝時添加導電膠，確保電連接的可靠性；同時使用非金屬介質對饋電點位置進行保護和加固，非金屬介質通過螺釘與天線輻射體和地板分別進行連接緊固，增強天線饋電位置的結構穩定性和天線的可靠性。在天線的圓環頂加載結構和地板間均勻添加了四根介質支撐柱，介質支撐柱兩端用螺釘與天線輻射體和地板分別進行連接緊固，四根介質支撐柱和四根金屬短路柱使得天線結構更加穩固。天線整體包裹在玻璃鋼-蜂窩材質的天線罩內，以使其滿足室外工作的需求，天線結構的剖面圖如圖2 所示。

圖2 天線饋電結構示意圖

圖3 天線仿真駐波比曲線圖

2 天線仿真結果

研究中采用有限元法對天線進行了仿真設計。圖 3給出了天線的電壓駐波比的仿真結果，如圖所示，天線電壓駐波比在30~90MHz 的3 個倍頻程的頻帶內小于2。

天線的各頻點仿真方向圖如圖4 所示。

從圖4 可以看出，天線在E 面輻射方向圖是傳統單極子天線的“8”字形輻射方向圖；且在整個工作頻段范圍內比較穩定。但隨著頻率升高，E 面方向圖形狀發生變化，其最大輻射方向已經偏離水平面，逐漸上翹，這是由于不同頻率下地板反射影響不同和天線輻射體上出現反向電流，兩者的共同作用。在H 面內具有全向覆蓋的輻射特性，工作頻帶內的中、低頻天線水平面方向圖的不圓度在0.5dB 以內，全向增益的不均勻性主要由短路柱的引入而引起。隨著頻率的升高，在高頻段，因天線波長變短，短路柱分布等不對稱因素影響增大，高頻水平面方向圖的不圓度接近1dB。

3 樣件測試結果

根據上述設計方案制作了樣件，如圖5 所示。天線罩為玻璃鋼-蜂窩材料，天線整體密封結構。天線實物直徑400mm，高度260mm，重量約為2.25kg。

圖 4 天線仿真方向圖

圖5 天線實物圖

對天線樣件的電性能進行了測試，主要指標見表1。

表1 主要電性能測試數據

通過樣件測試數據可以看出，實測結果與仿真結果基本一致。

4 結束語

本文對寬帶低剖面錐形單極子天線進行了研究，天線輻射體采用錐形漸變結構，通過采用頂加載、短路柱和電阻加載的方式，降低天線高度和尺寸，通過調節錐形的角度，加載圓盤尺寸和短路柱的數量和加載電阻的規格可以改變天線的輸入阻抗，有效地展寬了天線阻抗帶寬。天線在30MHz~90MHz 頻段的3 個倍頻程帶寬內具有優異、穩定的電性能。