一種C波段全向天線(xiàn)的設計

摘要 設計了一種C波段全向天線(xiàn)，該天線(xiàn)采用單極天線(xiàn)的變形結構，通過(guò)增加短路支柱改善了匹配性能并擴展了頻帶寬度。天線(xiàn)為平面結構，嵌入式安裝，具有結構緊湊、可靠性高、不影響機體氣動(dòng)性能等特點(diǎn)。樣機測試結果顯示，天線(xiàn)性能滿(mǎn)足指標要求，可應用于飛機等空間飛行體。
關(guān)鍵詞 C波段天線(xiàn)；嵌入式；短路支柱

天線(xiàn)作為輻射和接收電磁波的部件，是無(wú)線(xiàn)通訊系統中的重要組成部分。隨著(zhù)科學(xué)技術(shù)的發(fā)展，空間飛行體速度越來(lái)越高，飛行體上的天線(xiàn)也由原來(lái)的突出式向共形與隱身方向發(fā)展。飛行體上配套的天線(xiàn)不僅要滿(mǎn)足系統的電性能，并應具有較高的可靠性，不增加氣動(dòng)阻力，其電性能在受到砂塵、鹽霧潮濕、高空大氣壓降、靜電和閃電時(shí)性能不會(huì )下降，要求天線(xiàn)重量輕、尺寸小、低剖面、具有保形性。文中設計了一種嵌入盤(pán)形結構的C波段全向天線(xiàn)，采用有限接地面單極天線(xiàn)的變形結構，通過(guò)增加短路支柱改善匹配性能及擴展頻帶寬度。天線(xiàn)為平面結構，具有結構緊湊，可靠性高，嵌入式安裝，不影響機體氣動(dòng)性能等特點(diǎn)。

1 天線(xiàn)分析與設計
設計的C波段全向天線(xiàn)輻射方向圖為方位面全向，垂直極化，結構形式為平面結構，電壓駐波比≤2，增益≥2 dB。眾所周知，單極子天線(xiàn)極化方式為垂直極化，在水平面具有全向方向圖，并具有結構簡(jiǎn)單，重量輕、寬頻帶、饋電簡(jiǎn)便等特點(diǎn)，被廣泛應用于無(wú)線(xiàn)通訊領(lǐng)域。在自由空間，1／4波長(cháng)的單極天線(xiàn)在垂直平面上的輻射方向圖與半波偶極子天線(xiàn)在垂直平面中的方向圖形狀相似，差別只是在下半空間無(wú)輻射。在水平面上垂直單極天線(xiàn)是全向性的。天線(xiàn)的平均阻抗亦為同等臂長(cháng)的自由空間對稱(chēng)振子的平均阻抗的1／2。
通過(guò)分析對于C波段全向天線(xiàn)的設計，采用小單極子天線(xiàn)作為輻射體，以實(shí)現垂直極化和水平面全向特性，能滿(mǎn)足天線(xiàn)系統的電氣性能要求。單極天線(xiàn)是直立于反射面的天線(xiàn)，如圖1(a)所示，如何使天線(xiàn)成為平面結構是該天線(xiàn)研制中較突出的問(wèn)題，為此在單極天線(xiàn)的頂部加載，按圖1(a)～圖1(d)所示逐步改進(jìn)其結構。其中圖1(a)是典型的1／4波長(cháng)的單極天線(xiàn)，其方向圖隨接地面積大小而變化。圖1(b)頂端加載的單極天線(xiàn)，通過(guò)加載，降低了天線(xiàn)實(shí)際高度，使天線(xiàn)頂端對地的分布電容增大，提高了天線(xiàn)上電流波腹點(diǎn)的位置，因而等效為增加了天線(xiàn)的有效高度。圖1(c)是進(jìn)一步降低高度的盤(pán)形天線(xiàn)。圖1(d)的天線(xiàn)由圓盤(pán)以及介于它和接地面之間的環(huán)形縫隙組成，接地面被壓陷到盤(pán)的下方，形成一個(gè)淺腔。其輻射方向圖與1／4一波長(cháng)單極天線(xiàn)方向圖相似，這里腔體深度h為0．02 λ，圓盤(pán)直徑d為0．25 λ，腔體直徑D為0．3 λ。天線(xiàn)通過(guò)同軸傳輸線(xiàn)在圓盤(pán)的圓心饋電，這種天線(xiàn)可以看作大直徑低特性阻抗同軸線(xiàn)的開(kāi)口端，當環(huán)的周長(cháng)等于一個(gè)波長(cháng)時(shí)，環(huán)天線(xiàn)產(chǎn)生諧振輸入阻抗。圖1(d)輻射體嵌入接地平面內，可以與機體共形安裝。

采用圖1(d)的嵌入式盤(pán)形天線(xiàn)雖然可以滿(mǎn)足垂直極化、全向方向圖、平面結構這3個(gè)設計要素，但其阻抗匹配性能欠佳，為改善天線(xiàn)的匹配性能，增加頻帶寬度，在天線(xiàn)的圓盤(pán)與地之間增加了2個(gè)短路支柱，如圖2所示。這樣做的好處還體現在使天線(xiàn)處于直流的地電位，在發(fā)生雷電沖擊波時(shí)保護傳輸線(xiàn)，進(jìn)而保護系統設備。

依據以上理論分析，設計加工了天線(xiàn)樣機，三維圖如圖3所示。天線(xiàn)體用銅材銑加工，天線(xiàn)腔體成圓筒形，深度4 mm，圓盤(pán)由鍍銀銅片沖剪而成。天線(xiàn)腔體填充介質(zhì)材料為聚四氟乙烯，介電常數2．2。腔體直徑為18 mm，短路支柱為直徑1．5 mm的銅材。饋電柱直徑為2 mm，采用TNC插頭輸出。短路支柱、插座芯棒及圓盤(pán)采用錫焊固定。