一种C波段遥测天线的设计

袁娜　吴军军　李铁军　李航

摘 要：针对现在遥测系统发展的需要，本文设计出一种工作在4.7GHz～5.7GHz（驻波比小于1.5）的C波段遥测天线。设计基于微带馈电的小型化印刷矩形单极子天线，通过调整矩形贴片尺寸来调节天线工作的中心频点；同时调整馈入端与接地面的间隙来调节天线的工作带宽。仿真和实际测试显示设计的天线在工作频段内具有良好的阻抗匹配特性，增益高，方向图好。

关键词：印刷矩形单极子天线 馈入结构 C波段

中图分类号：TN822 文献标识码：A 文章编号：1003-9082（2017）06-0017-01

引言

目前国内、外航空遥测系统大都使用L或S波段，频谱资源有限，成为制约遥测发展的瓶颈。2007年世界无线电大会（WRC-2007）决定把C波段中的4400 MHz～4940MHz、5091 MHz～5250MHz 和5925 MHz～6700MHz频段在全球范围内，划分给了航空遥测使用，C波段将成为遥测发展的新领域。遥测天线作为遥测收发机的前端，必须跟上时代的发展[1]。

机载天线通常要求具有小的尺寸、轻的重量和良好的气动性能。平面印刷单极天线因其结构简单、尺寸紧凑和辐射特性稳定，同时不需要进行平衡不平衡的转换等特点，是机载天线最常用的结构形式[2-5]。

印刷单极天线应从振子体和馈入结构两方面考虑。就振子体而言，主要有矩形、圆或椭圆形、叉指形等多种形态，其中以椭圆形实现的带宽最大；就馈入结构而言，主要有微带馈入和共面波导馈入两种，相对而言，共面波导结构在增加带宽方面具有优势，但因自由度增加，其结构优化难度增大[6]。利用馈入结构增加带宽，最重要的是振子体下端与接地面间隙的调整。

一、天线设计

1.印刷单极子天线带宽特性分析

微带馈电印制矩形单极天线，其矩形振子体可看成柱状单极天线柱振子体的变形，微带馈线对应于柱状天线同轴馈线的内导体，接地面对应于同轴馈线的外导体。因此采用印刷天线矩形表面积与柱状天线振子柱表面积相等的等效原理，通过对柱状天线设计公式的变形，可确定矩形印制单极天线振子体尺寸与谐振频率的关系式：

…………………（1）

式中：

—谐振频率，GHz；

—矩形振子体的长度；

—振子体的宽度；

—振子体与接地面的间隙，单位都取为mm；

—考虑终端效应和基板介质影响的小于1的修正系数。

由（1）式即可进行印制天线振子体的初步设计。天线结构如图1所示[7]。

单极子天线是谐振天线，在谐振频点时天线阻抗近似表现为纯电阻特性，当偏离谐振频点，天线阻抗中的电抗成分即容性或感抗特性要随频率而增强。如果利用馈入结构，产生随频率变化的电抗成分，而且引入的电抗与振子体原来电抗特性刚好相反，则可在较宽频带范围抵消整个天线的电抗而得到一个与频率基本无关的大的阻抗带宽，甚至实现超宽带。对于馈入结构，调整矩形振子体与接地面的间隙g，或改变接地面的形状，都将改变对应的电抗特性，因此可通过对馈入结构的优化，实现对原来天线随频率变化的电抗成分的补偿。在矩形印刷单极子天线中，通过对间隙g的调整，可使对应谐振频率点的阻抗带宽得到最大化，因为间隙g引入的电抗可以补偿矩形印刷单极子天线中非谐振频率处原有的电抗成分。

2.结构优化

对于矩形印刷單极子天线的设计，应从振子体结构和馈入结构两方面考虑。按照图1所示天线结构及变量参数，利用普通的聚四氟乙烯双面敷铜电路基板，设计微带馈电矩形印刷单极子天线。对于矩形振子体，利用公式（1）进行尺寸计算。由于期望的频率范围为4.7GHz～5.7GHz内的中心频率为5.2GHz，初步设计时可以先预置。按照50Ω的要求，微带线的宽度为2.5mm；g=1.5mm；长宽比例为；根据基板介电常数和终端影响，取=0.84，则利用公式（1），可得矩形振子体长=9.2mm，宽度=6.9mm。最后仿真优化可得振子体长度=7mm，宽度=5.5mm，间隙g=1.9mm，微带线宽度t=2.6mm比较理想。图2为间隙g对天线频带特性的影响，图3为微带线宽度t对天线频带特性的影响。

3.仿真结果

对于不同频率的天线方向图仿真结果如图4所示，天线水平面最低增益大于0.5dBi，具有很好的全向性，E面对称性很好。

4.8GHz 5.2GHz

5.6GHz

图4 微带馈电印刷矩形单极子天线的XOY和YOZ平面的方向图

结论

本文通过仿真，设计出了一种微带馈电的矩形单极子遥测天线，其工作于4.7GHz～5.7GHz，通过调整振子尺寸和馈入结构来调节天线的阻抗带宽，包括振子尺寸、振子与接地面之间的间隙和微带线的宽度的调整。仿真证明该天线具有全频段内增益高，方向图良好，阻抗频带宽等特点。

参考文献

[1]白效贤，杨廷捂，袁炳南。航空飞行试验遥测技术发展趋势与对策[J].测控技术，2010，29（11）：6-9.

[2]Gerald J. Oortman， Antenna Engineering Handbook， McGraw-Hill， New York， 2007，Chap.40.

[3]Eldek，A.A， Numerical analysis of a small ultra-wideband microstrip-fed tap monopole antenna， Progress In Electromagnetics Research， 2006.

[4]S.Sadat， et al.， A compact microstrip square-ring slot antenna for UWB application， IEEE AP-S， 2006.

[5]M.J.Ammann， Square planar monopole antenna， in Proc. Inst. Elect. Eng. Nat. Conf. Antennas Propag.， U.K.，1999， pp. 37-40.

[6]吕文俊，程 勇，程崇虎等.共面波导馈电小型平面超宽带天线的设计与研究[J].微波学报，2006，22（4）：19-23.

[7]李伟文，黄长斌等.超宽带单极天线设计[J].微波学报.2010，26（2）：30-34.