一種寬頻帶小型化低剖面天線的設(shè)計

陳鵬宇，候宇通，王滿倉

（上海航空機(jī)械有限公司，上海 201314）

引言

近年來隨著電子科學(xué)技術(shù)的不斷發(fā)展，無線通信技術(shù)也隨著發(fā)展浪潮不斷進(jìn)步。從手機(jī)通信基站到飛機(jī)、車、船、導(dǎo)彈、衛(wèi)星等各種載體上，搭載了種類繁多的通訊天線和設(shè)備。隨之而來的設(shè)備間的相互影響，固定空間下設(shè)備的排布等問題也變得十分突出和棘手。

設(shè)備向著小型化，多功能化發(fā)展，天線也需要適應(yīng)其發(fā)展，特別是在超短波頻段，其波長較長，相應(yīng)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(yùn)動的載體的氣動外形影響也很大，極大限制了其運(yùn)用環(huán)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(jìn)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(shè)計

傳統(tǒng)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(diào)節(jié)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(nèi)保持穩(wěn)定，實現(xiàn)寬帶特性。天線的工作帶寬只和其尺寸相關(guān)，故也稱為頻率無關(guān)天線。但是其較大的體積并不適應(yīng)現(xiàn)在天線發(fā)展中的小型化要求。本章研究的主要內(nèi)容即以錐形單極子天線為基礎(chǔ)，進(jìn)行小型化設(shè)計。

圖1 給出了天線的結(jié)構(gòu)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(zhì)支撐柱、地板構(gòu)成。在倒錐臺輻射體上添加圓環(huán)形式的頂加載結(jié)構(gòu)，頂加載圓環(huán)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(jìn)一步減小了天線的尺寸。采用錐形結(jié)構(gòu)作為輻射體，可保證天線在很寬頻帶內(nèi)具有穩(wěn)定的阻抗特性；天線的圓環(huán)加載結(jié)構(gòu)，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(huán)加載結(jié)構(gòu)和地板間形成了電容加載結(jié)構(gòu)，而添加的短路柱結(jié)構(gòu)形成了電感加載，通過優(yōu)化調(diào)整圓環(huán)加載的尺寸以及短路柱的粗細(xì)、數(shù)量和加載位置，可以使天線輸入阻抗在頻帶內(nèi)更加平坦，實現(xiàn)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(jìn)一步縮小天線尺寸，可在短路柱上接入電阻進(jìn)行加載。電阻加載雖然會犧牲一定的增益，但可以進(jìn)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(xiàn)了寬頻帶小型化低剖面的特性。

圖1 天線結(jié)構(gòu)示意圖

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

圖2 天線饋電結(jié)構(gòu)示意圖

圖3 天線仿真駐波比曲線圖

2 天線仿真結(jié)果

研究中采用有限元法對天線進(jìn)行了仿真設(shè)計。圖 3給出了天線的電壓駐波比的仿真結(jié)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(nèi)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(tǒng)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(nèi)比較穩(wěn)定。但隨著頻率升高，E 面方向圖形狀發(fā)生變化，其最大輻射方向已經(jīng)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(xiàn)反向電流，兩者的共同作用。在H 面內(nèi)具有全向覆蓋的輻射特性，工作頻帶內(nèi)的中、低頻天線水平面方向圖的不圓度在0.5dB 以內(nèi)，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(jié)果

根據(jù)上述設(shè)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(jié)構(gòu)。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(jìn)行了測試，主要指標(biāo)見表1。

表1 主要電性能測試數(shù)據(jù)

通過樣件測試數(shù)據(jù)可以看出，實測結(jié)果與仿真結(jié)果基本一致。

4 結(jié)束語

本文對寬帶低剖面錐形單極子天線進(jìn)行了研究，天線輻射體采用錐形漸變結(jié)構(gòu)，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(diào)節(jié)錐形的角度，加載圓盤尺寸和短路柱的數(shù)量和加載電阻的規(guī)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(nèi)具有優(yōu)異、穩(wěn)定的電性能。