一種具有內(nèi)嵌結(jié)構(gòu)的寬頻帶全向天線

吳軍軍 李聰 劉永霞

(中國飛行試驗研究院,陜西西安 710089)

共形天線是一種和載體外形保持一致的天線。一架現(xiàn)代飛機至少有20多種甚至更多不同的天線從機身上伸出,這些天線對飛機造成了不可忽視的阻力及增加更多油耗,而且增大了飛機的雷達散射面積。在現(xiàn)代軍事防御系統(tǒng)中,一個典型的額外要求就是,當(dāng)天線被敵方雷達發(fā)射機發(fā)射的電磁波照射時不產(chǎn)生后向散射,即天線具有隱身特性。所以迫切需要將這些天線集成到飛機外殼中或與飛機蒙皮共形。

內(nèi)嵌天線以其輪廓低、風(fēng)阻小、易于實現(xiàn)與載體共形等特點受到共形設(shè)計的青睞。全向性天線是飛機上常用的機載天線,它的最簡單的天線結(jié)構(gòu)是 4/λ單極子天線。本文通過改進單極子天線結(jié)構(gòu),設(shè)計出一種與載體共形的嵌入式全向天線,在0.9GHz～2.5GHz工作頻段內(nèi),天線駐波比小于2,水平增益可達-2dBi。

圖2 嵌入盤形天線S參數(shù)及方向圖

圖3 嵌入式盤形天線圓盤上刻縫后的剖面圖(H=16mm)

1 天線結(jié)構(gòu)設(shè)計

普通的 4/λ單極子天線不但高度較高,而且?guī)捿^窄。為了降低天線高度,對 4/λ單極子天線進行了頂部加載,使其成為盤形天線大大減小了天線的高度。進一步,通過對盤形天線進行結(jié)構(gòu)優(yōu)化,使其成為嵌入式天線,與載體共形[1]。嵌入式天線采用柱形的腔體的底面作為接地面,天線輻射體位于腔體的上部,由頂部加載的圓盤和介于圓盤與接地面之間的環(huán)形縫隙組成[2],即便如此,嵌入式盤形天線的帶寬仍然比較窄。為了能夠展寬天線的工作帶寬,并且使最大輻射方向偏向水平方向,天線結(jié)構(gòu)需要進行進一步優(yōu)化改進。

1.1 嵌入式盤形天線

嵌入式盤形天線的基本結(jié)構(gòu)如圖1所示,圖中H表示天線高度。天線采用同軸線在圓盤中心進行饋電。圓盤的中心處為金屬探針,連接同軸內(nèi)導(dǎo)體。利用CST軟件對天線進行仿真,得到S參數(shù)和方向圖如圖2所示。

從圖2可以看出,嵌入式盤形天線雖然能夠降低天線的高度但是其帶寬很窄,只有80MHz,且最大輻射方向約為25°,水平增益很小。

1.2 嵌入盤形天線刻縫

為擴展天線帶寬,對天線結(jié)構(gòu)進行進一步改進,如圖3所示。在圓盤上刻縫,將圓盤分解為兩部分:內(nèi)部的中心圓盤以及外圍的金屬圓環(huán)。利用軟件對其仿真,得到S參數(shù)及方向圖4所示。

從圖4(a)中可以看出,圓盤刻縫后,天線帶寬從80MHz增加到150MHz,帶寬仍舊很窄。從圖4(b)中可以看出,最大輻射方向的角度未發(fā)生太大變化,仍為25°,水平增益較小。因此,需要采取措施對天線結(jié)構(gòu)進行進一步改進,在擴展天線帶寬的同時改善天線方向圖,提高水平面增益。

1.3 刻縫后的嵌入盤形天線加入接地棒

圖4 刻縫后嵌入式盤形天線的S參數(shù)及方向圖

圖6 嵌入式盤形天線加入接地棒后的S參數(shù)及方向圖

圖5 嵌入式盤形天線加入接地棒的剖面圖(H=16mm)

圖7 饋電針改為漸變結(jié)構(gòu)的天線剖面圖

在外圍金屬環(huán)之間加入4個接地棒[3],如圖5所示。這樣,原來嵌入式盤形天線就變成了圖5所示的天線結(jié)構(gòu)。利用軟件對該結(jié)構(gòu)的天線進行仿真,得到S參數(shù)及方向圖如圖6所示。

由圖6可以看出,嵌入式盤形天線加入接地棒后天線的帶寬大大增加,大約為1024MHz。最大輻射方向的角度已經(jīng)降下來,變?yōu)?0°,水平增益為-2.5dBi。但是仍然不能滿足指標(biāo)要求,還需要進一步對天線結(jié)構(gòu)進行改進。

1.4 將饋電針改為漸變結(jié)構(gòu)

漸變結(jié)構(gòu)是展寬天線帶寬,制作UWB系統(tǒng)天線時常采用的技術(shù)方法[3]。將饋電針改變?yōu)闈u變結(jié)構(gòu)后的天線的剖面圖如圖7所示。利用軟件對其仿真,調(diào)整各個參數(shù)可以得到較好的天線性能。

2 仿真結(jié)果

根據(jù)上文進行分析,對比多種結(jié)構(gòu)對天線性能的影響,得到天線的最優(yōu)結(jié)構(gòu):天線高度為中心頻率波長的0.11倍,即,H=22.23mm,采用橢圓加梯形的漸變結(jié)構(gòu)。整個結(jié)構(gòu)的上表面設(shè)計能夠保證與載體表面共形。天線的輸入阻抗設(shè)計在50左右,采用同軸電纜直接垂直饋電。該內(nèi)嵌式全向天線的電壓駐波比仿真結(jié)果如圖8所示,方向圖(1.5GHz)的仿真結(jié)果如圖9所示。

由圖8圖9可以看出,天線水平增益大于-2dBi,且具有很好的水平全向性,最大輻射方向在45°左右。

圖9 天線H面E面方向圖

圖8 天線駐波比仿真結(jié)果

3 結(jié)語

基于嵌入式盤形天線本文設(shè)計出了一種具有低剖面、寬頻帶的全向天線。該天線是在嵌入式盤形天線的基礎(chǔ)上,進行刻縫、加接地棒和采用漸變結(jié)構(gòu)的饋電針等,在減少天線高度的前提下實現(xiàn)了天線的內(nèi)嵌、寬頻帶以及較高的水平增益。經(jīng)過仿真,在0.93GHz～2.5GHz工作頻段內(nèi),該天線的電壓駐波比小于2,最大輻射方向在45°左右,水平面增益大于-2dBi,滿足設(shè)計指標(biāo)要求。

[1]Kraus J D , Marhefka R J. Antennas: For all applications,third Edition[M]. 北京:電子工業(yè)出版社,2006,576-577.

[2]張東峰,朱新民,安保新.一種C波段全向天線的設(shè)計[J].電子科技,2013,26(8):74-75,79.

[3]俱新徳,趙玉軍.實用天線工程技術(shù)[M].西安:西安電子科技大學(xué)出版社,2015,322-324.