一种具有内嵌结构的宽频带全向天线

吴军军 李聪 刘永霞

(中国飞行试验研究院,陕西西安 710089)

共形天线是一种和载体外形保持一致的天线。一架现代飞机至少有20多种甚至更多不同的天线从机身上伸出,这些天线对飞机造成了不可忽视的阻力及增加更多油耗,而且增大了飞机的雷达散射面积。在现代军事防御系统中,一个典型的额外要求就是,当天线被敌方雷达发射机发射的电磁波照射时不产生后向散射,即天线具有隐身特性。所以迫切需要将这些天线集成到飞机外壳中或与飞机蒙皮共形。

内嵌天线以其轮廓低、风阻小、易于实现与载体共形等特点受到共形设计的青睐。全向性天线是飞机上常用的机载天线,它的最简单的天线结构是 4/λ单极子天线。本文通过改进单极子天线结构,设计出一种与载体共形的嵌入式全向天线,在0.9GHz～2.5GHz工作频段内,天线驻波比小于2,水平增益可达-2dBi。

图2 嵌入盘形天线S参数及方向图

图3 嵌入式盘形天线圆盘上刻缝后的剖面图(H=16mm)

1 天线结构设计

普通的 4/λ单极子天线不但高度较高,而且带宽较窄。为了降低天线高度,对 4/λ单极子天线进行了顶部加载,使其成为盘形天线大大减小了天线的高度。进一步,通过对盘形天线进行结构优化,使其成为嵌入式天线,与载体共形[1]。嵌入式天线采用柱形的腔体的底面作为接地面,天线辐射体位于腔体的上部,由顶部加载的圆盘和介于圆盘与接地面之间的环形缝隙组成[2],即便如此,嵌入式盘形天线的带宽仍然比较窄。为了能够展宽天线的工作带宽,并且使最大辐射方向偏向水平方向,天线结构需要进行进一步优化改进。

1.1 嵌入式盘形天线

嵌入式盘形天线的基本结构如图1所示,图中H表示天线高度。天线采用同轴线在圆盘中心进行馈电。圆盘的中心处为金属探针,连接同轴内导体。利用CST软件对天线进行仿真,得到S参数和方向图如图2所示。

从图2可以看出,嵌入式盘形天线虽然能够降低天线的高度但是其带宽很窄,只有80MHz,且最大辐射方向约为25°,水平增益很小。

1.2 嵌入盘形天线刻缝

为扩展天线带宽,对天线结构进行进一步改进,如图3所示。在圆盘上刻缝,将圆盘分解为两部分:内部的中心圆盘以及外围的金属圆环。利用软件对其仿真,得到S参数及方向图4所示。

从图4(a)中可以看出,圆盘刻缝后,天线带宽从80MHz增加到150MHz,带宽仍旧很窄。从图4(b)中可以看出,最大辐射方向的角度未发生太大变化,仍为25°,水平增益较小。因此,需要采取措施对天线结构进行进一步改进,在扩展天线带宽的同时改善天线方向图,提高水平面增益。

1.3 刻缝后的嵌入盘形天线加入接地棒

图4 刻缝后嵌入式盘形天线的S参数及方向图

图6 嵌入式盘形天线加入接地棒后的S参数及方向图

图5 嵌入式盘形天线加入接地棒的剖面图(H=16mm)

图7 馈电针改为渐变结构的天线剖面图

在外围金属环之间加入4个接地棒[3],如图5所示。这样,原来嵌入式盘形天线就变成了图5所示的天线结构。利用软件对该结构的天线进行仿真,得到S参数及方向图如图6所示。

由图6可以看出,嵌入式盘形天线加入接地棒后天线的带宽大大增加,大约为1024MHz。最大辐射方向的角度已经降下来,变为40°,水平增益为-2.5dBi。但是仍然不能满足指标要求,还需要进一步对天线结构进行改进。

1.4 将馈电针改为渐变结构

渐变结构是展宽天线带宽,制作UWB系统天线时常采用的技术方法[3]。将馈电针改变为渐变结构后的天线的剖面图如图7所示。利用软件对其仿真,调整各个参数可以得到较好的天线性能。

2 仿真结果

根据上文进行分析,对比多种结构对天线性能的影响,得到天线的最优结构:天线高度为中心频率波长的0.11倍,即,H=22.23mm,采用椭圆加梯形的渐变结构。整个结构的上表面设计能够保证与载体表面共形。天线的输入阻抗设计在50左右,采用同轴电缆直接垂直馈电。该内嵌式全向天线的电压驻波比仿真结果如图8所示,方向图(1.5GHz)的仿真结果如图9所示。

由图8图9可以看出,天线水平增益大于-2dBi,且具有很好的水平全向性,最大辐射方向在45°左右。

图9 天线H面E面方向图

图8 天线驻波比仿真结果

3 结语

基于嵌入式盘形天线本文设计出了一种具有低剖面、宽频带的全向天线。该天线是在嵌入式盘形天线的基础上,进行刻缝、加接地棒和采用渐变结构的馈电针等,在减少天线高度的前提下实现了天线的内嵌、宽频带以及较高的水平增益。经过仿真,在0.93GHz～2.5GHz工作频段内,该天线的电压驻波比小于2,最大辐射方向在45°左右,水平面增益大于-2dBi,满足设计指标要求。

[1]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.

[2]张东峰,朱新民,安保新.一种C波段全向天线的设计[J].电子科技,2013,26(8):74-75,79.

[3]俱新徳,赵玉军.实用天线工程技术[M].西安:西安电子科技大学出版社,2015,322-324.