用于单兵手持式终端的平面化四天线系统设计

周文辉

(91404 部队43 分队，河北 秦皇岛066000)

0 引言

为适应未来战争的需要，越来越多的高新技术已经被应用于新型单兵作战系统当中。由于先进高科技装备的配备，军队的单兵作战能力被大大提高。 手持式终端同时具备定位、导航、通信以及信息共享等功能，是众多武器装备中最为重要的设备之一，在现代战场中发挥着至关重要的作用[1-2]。 手持式终端除了能够实现精准导航定位、即时通信等功能，其尺寸和重量也是一个十分重要的指标。天线作为手持式终端设备中实现信息输入和输出的关键器件，其小型化、轻量化及高集成度的实现可以进一步提高终端设备的便携性，从而提高单兵作战的灵活性和高效性。

本文提出了一种用于手持式终端的平面化多天线系统，将天线系统集成在设备的保护盖板中，进一步提升手持式终端的集成度。

1 问题提出

军队使用手持式终端与工业类和消费类手持终端有所不同，除了防水、防摔、防震、防尘等严格的技术标准和内部架构之外，卫星导航、卫星定位以及自组网也是一般军用手持式平板终端中的基本功能要求[3]。

宽带自组网技术具有很强的灵活性和抗毁性，是建立完善的单兵通信系统的核心技术，被各个国家广泛地应用于战略和战术综合通信之中[4]。 传统设计中，自组网天线一般采用水平全向辐射的单极子来实现，并通过外加套筒来增加天线的带宽[5]，然而这种天线的长度远远大于设备的边长，不利于设备的进一步小型化。 而卫星导航和通信天线一般采用螺旋天线实现上半空间的圆极化覆盖[6]，虽然导航和通信频段较高，天线尺寸大大小于自组网天线，但是螺旋天线的带宽一般较窄，难以被拓宽，而且都是三维结构且独立封装，不利于设备集成度的提高。

2 平面化四天线系统设计

考虑到上述提到的收发自组网、卫星导航及卫星通信天线集成度问题，主要设计了一套平面化四天线系统，图1 给出了所提出的平面化四天线系统的结构示意图。

该四天线系统中采用的介质基板为相对介电常数为4.4 的FR4 基板，尺寸为220 mm×135 mm×0.8 mm。为保证两天线之间的隔离度尽量低，收发自组网天线由位于基板正面两侧边缘的弯折的印刷单极子实现，通过两根金属线连接到金属转轴上，转轴通过一侧的金属线连接到转接腔的内部导电区域。单极子的馈电部分包括一个串联的8.2 nH 电感以及一个并联2.2 pF 的电容，可以用来进一步提升自组网天线的端口阻抗匹配。

由文献[7]可知，线极化天线可以被用于郊区作业手持终端设备中更好地实现卫星导航和通信的功能，因此，本设计中采用位于基板垂直对称线上的水平极化印刷偶极子实现卫星天线。 其中，卫星通信天线位于卫星导航天线的上方，两个引向器在调节偶极子阻抗匹配的同时有助于增强其上半空间的辐射。导航天线由一个加激励的蝶形偶极子和两个寄生金属条组成，寄生金属条也可以起到阻抗匹配和方向图调节的作用。而偶极子本身也可以作为卫星通信天线的反射器起到反射作用。

考虑实际使用情况，仿真模型中加入了介电常数为2.9 的天线罩。 由于主板地板的尺寸与自组网天线工作频段的波长可以比拟，会影响单极子的阻抗匹配，因此，实际仿真中需加入主板地板进行整体优化。

图1 平面化四天线系统仿真结构示意图

3 仿真和实测结果

对以上提出的平面四天线系统进行了加工及测试，图2 给出了天线的实物照片。

图3 和图4 给出了各天线的驻波测试与仿真结果的对比，对比结果显示，两者较为吻合。

图2 平面化四天线系统的加工实物图

图3 左侧自组网天线的驻波仿真及测试结果对比图

图4 卫星导航和通信天线的驻波仿真与测试对比图

测试结果表明，自组网天线可以覆盖360～725 MHz，带内隔离度为10 dB 以上。 卫星导航天线可以覆盖1.11～1.65 GHz，可以覆盖四大导航系统的大部分工作频段。 卫星通信天线的工作频带为1.95～2.25 GHz，可以覆盖S 波段卫星通信的上下行频段。

天线的远场测试结果显示，自组网天线方向图略有倾斜， 但水平方向的平均增益在大部分带内大于0 dB(见表1)。卫星导航和通信天线均为上半空间辐射，如图5 所示。

表1 自组网天线水平方向平均增益的仿真和实测结果

图5 卫星导航及通信频段代表频点方向图

4 结论

传统手持式终端设备的天线设计中，自组网、卫星导航及卫星通信天线大部分是呈柱状且独立封装，一定程度上限制了设备的集成度的提高及重量的减轻。本文提出将天线平面化设计并将其集成到设备的保护盖板中，实验结果表明，该平面化四天线系统可以完全覆盖自组网、卫星导航及通信频段，并在对应频段实现需要的辐射性能。未来需要进一步解决的是自组网收发天线之间隔离度的提高。