一種C波段全向天線的設(shè)計(jì)

摘要 設(shè)計(jì)了一種C波段全向天線，該天線采用單極天線的變形結(jié)構(gòu)，通過(guò)增加短路支柱改善了匹配性能并擴(kuò)展了頻帶寬度。天線為平面結(jié)構(gòu)，嵌入式安裝，具有結(jié)構(gòu)緊湊、可靠性高、不影響機(jī)體氣動(dòng)性能等特點(diǎn)。樣機(jī)測(cè)試結(jié)果顯示，天線性能滿足指標(biāo)要求，可應(yīng)用于飛機(jī)等空間飛行體。
關(guān)鍵詞 C波段天線；嵌入式；短路支柱

天線作為輻射和接收電磁波的部件，是無(wú)線通訊系統(tǒng)中的重要組成部分。隨著科學(xué)技術(shù)的發(fā)展，空間飛行體速度越來(lái)越高，飛行體上的天線也由原來(lái)的突出式向共形與隱身方向發(fā)展。飛行體上配套的天線不僅要滿足系統(tǒng)的電性能，并應(yīng)具有較高的可靠性，不增加氣動(dòng)阻力，其電性能在受到砂塵、鹽霧潮濕、高空大氣壓降、靜電和閃電時(shí)性能不會(huì)下降，要求天線重量輕、尺寸小、低剖面、具有保形性。文中設(shè)計(jì)了一種嵌入盤形結(jié)構(gòu)的C波段全向天線，采用有限接地面單極天線的變形結(jié)構(gòu)，通過(guò)增加短路支柱改善匹配性能及擴(kuò)展頻帶寬度。天線為平面結(jié)構(gòu)，具有結(jié)構(gòu)緊湊，可靠性高，嵌入式安裝，不影響機(jī)體氣動(dòng)性能等特點(diǎn)。

1 天線分析與設(shè)計(jì)
設(shè)計(jì)的C波段全向天線輻射方向圖為方位面全向，垂直極化，結(jié)構(gòu)形式為平面結(jié)構(gòu)，電壓駐波比≤2，增益≥2 dB。眾所周知，單極子天線極化方式為垂直極化，在水平面具有全向方向圖，并具有結(jié)構(gòu)簡(jiǎn)單，重量輕、寬頻帶、饋電簡(jiǎn)便等特點(diǎn)，被廣泛應(yīng)用于無(wú)線通訊領(lǐng)域。在自由空間，1／4波長(zhǎng)的單極天線在垂直平面上的輻射方向圖與半波偶極子天線在垂直平面中的方向圖形狀相似，差別只是在下半空間無(wú)輻射。在水平面上垂直單極天線是全向性的。天線的平均阻抗亦為同等臂長(zhǎng)的自由空間對(duì)稱振子的平均阻抗的1／2。
通過(guò)分析對(duì)于C波段全向天線的設(shè)計(jì)，采用小單極子天線作為輻射體，以實(shí)現(xiàn)垂直極化和水平面全向特性，能滿足天線系統(tǒng)的電氣性能要求。單極天線是直立于反射面的天線，如圖1(a)所示，如何使天線成為平面結(jié)構(gòu)是該天線研制中較突出的問(wèn)題，為此在單極天線的頂部加載，按圖1(a)～圖1(d)所示逐步改進(jìn)其結(jié)構(gòu)。其中圖1(a)是典型的1／4波長(zhǎng)的單極天線，其方向圖隨接地面積大小而變化。圖1(b)頂端加載的單極天線，通過(guò)加載，降低了天線實(shí)際高度，使天線頂端對(duì)地的分布電容增大，提高了天線上電流波腹點(diǎn)的位置，因而等效為增加了天線的有效高度。圖1(c)是進(jìn)一步降低高度的盤形天線。圖1(d)的天線由圓盤以及介于它和接地面之間的環(huán)形縫隙組成，接地面被壓陷到盤的下方，形成一個(gè)淺腔。其輻射方向圖與1／4一波長(zhǎng)單極天線方向圖相似，這里腔體深度h為0．02 λ，圓盤直徑d為0．25 λ，腔體直徑D為0．3 λ。天線通過(guò)同軸傳輸線在圓盤的圓心饋電，這種天線可以看作大直徑低特性阻抗同軸線的開口端，當(dāng)環(huán)的周長(zhǎng)等于一個(gè)波長(zhǎng)時(shí)，環(huán)天線產(chǎn)生諧振輸入阻抗。圖1(d)輻射體嵌入接地平面內(nèi)，可以與機(jī)體共形安裝。

采用圖1(d)的嵌入式盤形天線雖然可以滿足垂直極化、全向方向圖、平面結(jié)構(gòu)這3個(gè)設(shè)計(jì)要素，但其阻抗匹配性能欠佳，為改善天線的匹配性能，增加頻帶寬度，在天線的圓盤與地之間增加了2個(gè)短路支柱，如圖2所示。這樣做的好處還體現(xiàn)在使天線處于直流的地電位，在發(fā)生雷電沖擊波時(shí)保護(hù)傳輸線，進(jìn)而保護(hù)系統(tǒng)設(shè)備。

依據(jù)以上理論分析，設(shè)計(jì)加工了天線樣機(jī)，三維圖如圖3所示。天線體用銅材銑加工，天線腔體成圓筒形，深度4 mm，圓盤由鍍銀銅片沖剪而成。天線腔體填充介質(zhì)材料為聚四氟乙烯，介電常數(shù)2．2。腔體直徑為18 mm，短路支柱為直徑1．5 mm的銅材。饋電柱直徑為2 mm，采用TNC插頭輸出。短路支柱、插座芯棒及圓盤采用錫焊固定。