一种新型双频共形共孔径机载导航天线设计

王敏，李方

（中国电子科技集团公司第二十研究所，西安 710068）

0 引言

随着航空、航天技术的快速发展，越来越多的先进航空武器平台追求高机动性、超音速巡航以及一定的隐身能力[1]。常规的非共形天线不仅会对飞机的飞行产生额外的气动阻力，同时高空高速飞行对天线体的结构强度也是重大考验，严重可能会影响性能及飞行安全。所以共形天线成为当前天线技术中最重要的发展之一[2]。共形天线通常指一个非平面的、与特定物体形状共形的天线，一般会作为飞机等高速运动物体表面的一部分，该表面的外形不是由电磁因素、而是由诸如空气动力或水力等因素确定的。在无人机及导弹等平台上已经得到较为广泛的应用。

在现代无线通信技术迅猛发展的形势下，在飞机、导弹等载体上，各种机载、弹载电子设备的数量和种类都达到了前所未有的程度。众多的天线不仅会在安装位置上有一定冲突，同时会产生天线遮挡和电磁兼容等一系列问题。为了满足各种平台上天线安装空间的要求，一方面需要最小化天线孔径数量，另一个有效手段即是多功能孔径综合化设计[3]。机载天线的共孔径设计在保证航电系统性能的前提下，简化了飞机的整体设计，是航空武器平台射频终端的重要发展趋势之一。

1 共形天线设计

传统的用于全向覆盖的导航天线一般为非共形设计的刀型天线，如图1所示为一种成品机载刀型天线形式。

图1 非共形机载刀型天线

L波段的刀型天线高度一般为65mm到85mm（含天线罩），天线高度较高不适合应用于腔式共形设计。本文采用一种短路销钉加载的盘锥天线形式，利用其低剖面特性实现导航天线的共性化设计。天线结构如图2所示。短路匹配销钉的加入不仅能够展宽带宽[4][5]，而且还起到了支撑作用，保证天线的结构强度。

图2 短路销钉加载盘锥天线形式

为保证导航天线前向覆盖角域增益，天线安装在有一向下倾角的飞机蒙皮上，飞机蒙皮及共形设计后的天线如图3所示，本文设计的共形天线采取天线罩与飞机蒙皮共形的腔体结构，天线安装时在飞机蒙皮上开与辐射孔径等大的孔，由外向内安装。

图3 共形安装导航天线

2 天线孔径综合化设计

将L波段天线和C波段波天线共孔径设计，需考虑天线的集成形式。考虑将L波段天线和C波段天线水平并排放置在腔内，如图4所示。

图4 水平并排放置形式

图5 水平并排放置仿真结果

可以看出L波段天线的存在造成C波段天线周围结构不对称，从而改变了C波段天线的电流分布，使得C波段天线辐射方向图改变。仿真结果也得到了证实，如图5所示。仿真对比了C波段天线中心频率的三个不同俯仰角60°、75°和95°的方位面方向图，可见C波段天线方向图发生畸变，水平并排集成方式不能实现双频天线的孔径综合。

考虑将L波段天线及C波段天线垂直并排放置，由于C波段天线要求带宽不宽，所以C波段天线采用微带天线形式[6]，有效降低天线剖面和体积,也利用短路探针加载形式对天线进行小型化设计[7]。同时可以利用L波段天线辐射体作为C波段天线地板，C波段天线中心馈电，这样保证了C波段天线的结构对称性。

图6 垂直并排放置形式

如图6所示为设计的垂直并排放置的共孔径天线结构图，L波段天线中心底部馈电，C波段天线馈电线路由L波段天线的一个短路销钉内部引入，最后在C波段天线中心底部馈电，形成单孔径双端口馈电形式，实现了双频工作。经过仿真验证了此种孔径综合手段的可行性。

3 仿真测试对比分析

根据上述的设计思路，在εr=3.5，h=2mm的基板上加工C波段天线。最终组合天线整体安装在机翼上蒙皮中，天线及测试工装实物如图7所示。

图7 天线及测试工装实物图

利用电磁仿真软件对该天线的主要特性进行分析，优化该天线的相关结构参数，最终得到结果如图8和图9所示。

图8 双频天线驻波仿真结果图

图9 双频天线驻波仿真结果图

图8可见，C波段天线在频率范围f1_L到f1_H内，电压驻波比小于2，相对带宽为4%；L波段天线在频率范围f2_L到f2_H内，电压驻波比小于2，相对带宽为15%，满足技术指标要求。可以看出共孔径设计后的两个天线保持有较好的阻抗特性。

仿真C波段天线及L波段天线中心频率三个不同俯仰角的方位平面方向图由图9可得到，C波段天线在俯仰角为 60°～95°、方位角为-45°～45°的角域范围内增益大于-2dB，L波段天线在俯仰角为60°～95°、方位角为-45°～45°的角域范围内增益大于-1dB，满足方向图空间覆盖角域要求。

对天线实物进行测量得到双频天线方向图结果。实测C波段天线覆盖角域范围内增益最小值为-1.8dB，满足指标要求但低于仿真结果，分析原因主要由馈电线路损耗造成，仿真并未将线缆损耗考虑在内；L波段天线覆盖角域范围内增益最小值为-0.4dB，也小于仿真结果，分析主要由于介质损耗、加工误差及测试误差等因素使实测结果与仿真设计结果略有差异，但仍可证明该设计的可行性。

4 结论

本文设计了一种新型双频共形共孔径天线，利用已有的结构提出了一种将C波段与L波段单天线集成的形式，完成了天线共形共孔径设计，实现了双端口单天线的双频工作能力。利用电磁仿真软件进行仿真，并且完成了天线实物的研制加工，在C波段和L波段分别具有4%和15%的相对带宽，在俯仰角为 60°～95°、方位角为-45°～45°的角域范围内，C波段天线增益大于-2dB，L波段天线增益大于-1dB，天线性能优良，满足指标要求。后续将进一步优化水平面增益，尽量降低天线方向图上翘[8]。

该设计结构紧凑，共形设计减小天线对飞机平台气动性破坏，同时实现了飞机表面天线孔径面积和数量的减缩。随着航空武器装备的迅猛发展，机载天线共形共孔径设计是重要的发展趋势之一，本文的设计思路可应用到其他孔径综合化设计中，对共形天线集成设计有一定的参考价值。

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[5]王新伟,许家栋.一种新型低剖面、宽频带全向天线设计[J].微波学报,2011,(3):30-33.

[6]钟顺时.微带天线理论与应用[M].西安:西安电子科技大学出版社,1991.

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[8]Kraus J D,Marhefka R J.Antennas.For all applications,third Edition[M].北京:电子工业出版社,2006.576-577.