一种L/C 双频段盘锥和微带阵列的天线综合设计

王 博，芮 锡，钟志浩

（1.中国商飞上海飞机客户服务有限公司，上海 201100；2.中国西南电子技术研究所，四川 成都 610036）

0 引言

随着无线通信技术的发展及机载功能需求的扩展，越来越多的通信设备被装载在飞机上，使得机载射频传感器设备的密度越来越高。为了满足在有限的装机空间内排布更多的设备，需要对机载射频设备进一步做小型化、综合化设计，其中天线孔径综合是一类重要的综合化设计手段。对天线孔径进行合理的综合设计[1]，在满足各功能对天线性能要求的基础上，综合考虑天线工作频段、安装位置、空间尺寸、覆盖范围等各方面的因素，以使性能、重量、体积、成本等方面达到最优化为设计目标，采用天线共用、宽带/超宽带、共孔径、天线分集等技术和方法进行天线综合化设计[2]。

盘锥天线是一种具有超宽频带、线极化特性的全向天线[3]，该天线是偶极子天线的一种变形，即将上臂变成圆盘，下臂变成圆锥，具有宽频带、低剖面、易共形的特点。与盘锥天线类似，微带天线具有体积小、重量轻、结构简单、易加工等优点[4]。所以，对于气动和隐身特性要求较高的航空航天平台，盘锥天线和微带天线具有广泛的应用前景。

本文设计了一种盘锥与微带阵列复合形式的共形天线，在L 频段0.95～1.6 GHz 具有宽频带、水平全向辐射特性，在C 频段4.25～4.35 GHz 具有高增益、定向辐射特性，能够同时满足L 频段多种数据链功能和C 频段无线电测高功能需求，且该复合天线剖面低，可与载体共形。

1 天线设计

本文设计的复合天线如图1 所示，从上到下依次包括微带阵列辐射贴片、介质基片、金属圆盘、金属圆锥体、反射腔体，其中金属圆盘既作为盘锥天线的上辐射体，又作为微带阵列天线的反射地面。

图1 复合天线结构三维图

如图2 所示，上层微带天线采用2×2 阵列，实现无线电高度表电磁信号的功能的发射和接收，在矩形辐射贴片边缘，采用嵌入式微带线馈电方式。这种馈电方法能够通过改变馈线插入深度与宽度来调节天线的输入阻抗，使得辐射贴片能够在不添加四分之一波长阻抗变换器的条件下，与馈线阻抗匹配[5]。同轴探针通过一分四馈电网络与4 个微带贴片相连，馈以等幅等相信号，实现高增益定向辐射。微带贴片和馈电网络采用腐蚀法印刷在εr=4 的高频介质板上，微带阵列尺寸为60 mm×60 mm×1.5 mm，具有小尺寸、低剖面的特点。

图2 复合天线结构俯视图

盘锥天线与微带阵列采用叠层设计，盘锥天线的椎体斜高一般为最大工作波长的1/4，锥角介于45°与75°之间[6]，由此可以推算盘锥天线的高度为0.18λ～0.235λ，由于机载平台往往空间有限且对气动要求高，因此布局的天线剖面高度需要尽可能低。如图3 所示，本设计将下部椎体向外延伸并向上折叠形成了一个背腔，这相当于在不增加天线高度的前提下增加了椎体的斜高[7]，同时通过在盘锥天线的金属圆盘与圆锥体之间加载金属短路柱，使短路柱与同轴探针之间形成强耦合，等效于加载了一个电容，使得盘锥天线在低于谐振频率位置达到阻抗匹配，从而增加了天线的频率带宽，有效减小了天线尺寸[8]。相比于传统刀型全向天线，该盘锥天线高度降低了60%。

图3 复合天线结构正视图

2 仿真与结果

2.1 天线参数

使用全波电磁仿真软件HFSS 对设计的复合天线进行仿真优化，相关设计参数如表1 所示。

表1 复合天线尺寸参数

2.2 天线驻波比与端口隔离度

图4 和图5 分别给出了盘锥和微带阵列复合天线在L 频段和C 频段的电压驻波比曲线和S21隔离度曲线。从仿真结果可知，该天线在0.95～1.6 GHz 频带范围内满足电压驻波比VSWR≤3，在4.25～4.35 GHz 频带范围内满足电压驻波比VSWR≤2；并且在该两段工作频带内，两端口的端口隔离度S21≤-30 dB。该复合天线具有多频宽带特性和良好的端口隔离度，能够满足机载平台L 频段功能和无线电高度表功能所需频段范围。

图4 电压驻波比曲线

图5 复合天线端口S21 性能

2.3 L 频段天线增益方向图

复合天线在L 频段仿真三维方向图如图6 所示，天线辐射的能量主要集中在方位面的水平面和低仰角区域，并且具有较好的全向性。

图6 复合天线L 频段三维方向图

图7和图8分别为复合天线在L频段0.95 GHz、1.3 GHz和1.6 GHz 3 个频点处的水平面（θ=90°）和俯仰面（φ=0°）二维辐射方向图。在0.95～1.6 GHz 频段内，随着频率的增加，天线受腔体反射效应增大，方向图上翘更严重，所以相较于0.95 GHz 的方向图，1.6 GHz 在水平面增益更小，在高仰角区域增益更高。

图7 L 频段水平面二维方向图

图8 L 频段俯仰面二维方向图

如表2 所示，复合天线在0.95～1.6 GHz 频段，俯仰60°≤θ≤90°，水平0°≤φ≤360°的空域范围内，满足最小增益Gainmin≥-3 dB，平均增益≥-2.54 dB，增益方向图具有较好的全向性，符合机载L 频段功能的低俯仰平面内水平全向辐射的要求[9]。

表2 复合天线L 频段方位面增益统计

2.4 C 频段天线增益方向图

复合天线在C 频段仿真三维方向图如图9 所示，天线辐射的能量主要集中在天线顶端，说明在C 频段内天线具有较好的定向性。

图9 复合天线C 频段三维方向图

图10 和图11 分别为复合天线在C 频段4.25 GHz、4.3 GHz、4.35 GHz 3 个频点处的E 面（φ=0°）和H 面（φ=90°）二维辐射方向图。其E 面和H 面二维方向图相似，均为向天顶辐射，背瓣抑制较好。如表3 所示，在4.25～4.35 GHz 频段内，复合天线均满足主瓣增益≥10.3 dBi，背瓣增益＜-30 dB，3 dB 波束宽度约为70°，符合无线电高度表测高功能所需增益和空域覆盖要求[10]。

表3 复合天线C 频段方位面增益统计

图10 C 频段E 面二维方向图

图11 C 频段H 面二维方向图

3 结论

本文设计了一种工作在L、C 频段的盘锥与微带阵列复合天线。盘锥天线通过加载金属短路柱实现小型化和宽频化，辐射L 频段全向水平电磁波信号，在θ=90°平面内，平均增益≥-2.5 dBi；微带天线采用2×2 小型化阵列，实现C 频段定向辐射，最大增益≥10.3 dBi，可以满足常规机载设备工作需求。该复合天线最大直径为200 mm，总高度为26.5 mm，将两种不同极化、不同工作频段、不同辐射空域的天线有效综合到一个射频孔径中，减少天线孔径数量，同时在装机尺寸和重量上也有明显的降低[11]。该形式综合天线内嵌安装于金属腔体内，后续可结合机载、弹载等平台蒙皮，开展天线共形设计和工程化设计，该天线可广泛应用于航空航天领域[12]。