一种新型宽波束低剖面无人机载共形天线

许 鸣 ,王开华,王克选张颖松,3,刘宗全,3

(1.南京模拟技术研究所,南京 210016;2.解放军理工大学通信工程学院,南京210007;3.东南大学 毫米波国家重点实验室,南京 210096)

1 引 言

共形天线具有良好的空气动力学特性,特别适用于高速飞行器等移动载体。为了保证与地面测控天线极化一致或极化损失小,无人机载天线一般采用垂直极化或圆极化方式。无人机的飞行距离高度比值大,决定了机载通信天线的方向图在水平面上应具有全向性,同时在垂直面具有低仰角增益。为了确保无人机通信持续不中断,需要天线的波束宽度能够覆盖180°甚至更宽。

微带天线具有体积小易共形的优点,被广泛应用到共形天线中。文献[1]设计了无人机载用宽波束圆极化微带天线,但是没有低仰角增益,且轴比波束宽度不能达到要求。文献[2-5]设计了微带印刷单极子以及偶极子天线,在H面得到了全向的方向图,但用机载时需要将天线直立安装。文献[6]设计了结构简单的倒F天线,获得了满足要求的方向图。文献[7]则设计了一种无人机载用宽频带工作的倒锥天线。但这些线极化天线剖面较高,影响了无人机的飞行性能。

为实现共形低剖面要求,将直立平面单极子天线水平放置,即采用倒L天线结构。为改善因单极天线平置引起的匹配恶化以及实现垂直极化方式,在适当位置加载短路探针。为验证理论分析的正确性,制作了天线实物,并共形至载体上进行了测量。

2 天线设计与分析

天线设计要求:

(1)共形载体为理想导体圆筒,圆筒半径为190 mm,长度小于3000 mm;

(2)剖面小于20 mm;

(3)波束宽度大于175°;

(4)增益大于传统的单极子天线增益;

(5)垂直极化;

(6)回波损耗小于-10 dB。

天线结构如图1(a)所示。这里选择的共形载体为理想导体圆筒,圆筒半径为190 mm,长度为1000 mm,远大于天线长度,故示意图只截取部分地面显示。馈电探针半径为1 mm。俯视图中各尺寸为贴片展开为平面时的尺寸。

图1 天线结构及等效电路图Fig.1 Structure and equivalent circuit diagram of antenna

图1 (b)中,L为馈电探针引入的串联电感,C为金属片引入的并联电容,G为天线的辐射电导,Zin为天线输入端口看去的输入阻抗,则

由于天线中梯形金属片部分距离地面很近(仅为10 mm),使得金属片与地面间的并联电容 C很大。根据公式(1),当C很大时,Zin的实部很小,虚部变大,使得天线匹配变差。

利用电磁仿真软件HFSS12.0对天线仿真分析,各尺寸参数如表1所示。

表1 天线参数尺寸Table 1 Parameters of the proposed antenna mm

图2给出的是该天线端口阻抗特性曲线及不同高度H时的回波损耗。从图中可以看出,当H为10 mm时,天线在0.63GHz处谐振,回波损耗最小值仅为-0.52 dB,对应的输入电阻和电抗分别为2.3 Ψ和+36.7 Ψ,说明此时天线输入电阻很小,电抗很大且呈感性。从图2(a)中可以看出,当高度H增加时,天线匹配得到改善,同时频率向低频偏移(这是由馈电探针长度增加引起的)。匹配改善是因为当高度H增加时,并联电容C减小,根据公式(1)可推知输入阻抗实部增加,虚部减小,匹配变好,但这也使得天线剖面增加,对无人机空气动力性能产生影响。

图2 天线端口回波损耗及阻抗特性曲线Fig.2 R eturn loss and impedance characteristic curve of the antenna

为了保持天线剖面高度不变,改善天线端口的匹配,在梯形金属片轴线上距离馈电点L5处加载金属探针,使之将金属片与地短接。这里选择L5=50 mm,短路探针半径为1 mm,结构如图3(a)所示。图中天线以短路针基准,偏离z轴30°放置,目的是为了使天线表面电流在 xoz面内产生的电场均衡,方向图更为对称。图3(b)为天线的等效电路图。

图3 加载短路针后天线结构及等效电路图Fig.3 Structure and equivalent circuit diagram of antenna after shorted pin loaded

图3 (b)中,L1为短路探针引入的串联电感,则

从式(2)中可以看出,相对于未加短路针的天线,当 L1取合适的值时,可以使 Zin的实部增大,虚部变小,从而改善端口的匹配。

图4给出的是加载短路针后阻抗特性曲线。从图4中可以看出,在天线尺寸保持不变的情况下,天线在819 MHz处电抗为 0,电阻接近50 Ψ,匹配得到改善,其中谐振频率变大的原因可以从图5中天线表面电流分布得出。

图4 仿真阻抗特性Fig.4 Simulated impedance characteristic curve

从图5中可以看出,天线表面电流分布相对较强的部分为短路探针和短路探针至天线末端一段。馈电探针至短路探针间天线上电流很弱,且有部分流向相反的电流。这样实际电流路径长度近似为高度 H和L4～L5之和,即大约为90 mm。同时,由于天线用金属片代替细导线结构,使得实际电流路径大于90 mm,从而使谐振频率小于830 MHz(对应谐振长度为90 mm),这与图4中仿真结果相符。从图5中还可以看出,短路探针上的电流最强,金属片上电流相对较弱,因此天线上占主导地位的是垂直流动的电流,从而使天线辐射垂直极化波。

图5 天线表面电流分布图Fig.5 Distribution of surface current of antenna

3 测量及仿真结果分析

为验证设计方案的正确性,对加载短路针的天线制作了实物,并对各种参数进行了测量。天线被安装在无人机壳模型上,机壳材质为碳纤维。用矢量网络分析仪对天线的S参数进行了测量,仿真与测量结果如图6所示。实测结果表明,天线在807～835MHz范围内回波损耗小于-10 dB,带宽约为28 MHz。

图6 仿真与实测回波损耗曲线Fig.6 Simulated and measured return loss curve

图7 天线垂直极化辐射方向图Fig.7 Vertical polarized radiation pattern of antenna

图7 给出的是天线垂直极化辐射方向图。从图中可以,实测方向图与仿真结果吻合较好。天线在xoz面内3 dB波束宽度达到197°。天线在 yoz面内有凹陷是因为水平电流较垂直电流弱,其产生的辐射场不足以弥补单极子在z轴方向的凹陷。天线在xoy面内方向图接近全向辐射。

图8给出的是天线在 xoz面和xoy面内的增益曲线图。图中可以看出,在 xoz面的上半部分,天线的增益在1 dB左右,其3 dB波束宽带大于180°。天线在xoy面内增益有一定起伏,这是由天线结构本身不是关于z轴对称引起的。

图8 天线增益曲线Fig.8Gain of the antenna

4 结 论

本文针对高速无人靶机测控通信的需要,提出了一种新型宽波束低剖面无人机载共形天线。该天线由单极子天线演变而来,通过加载短路探针,使天线在保持低剖面的同时取得了良好的阻抗匹配,同时也使天线辐射垂直极化波。天线在水平方向准全向辐射,在垂直面内的3 dB波束宽度达到197°。实验结果验证了理论分析。该天线替换了某型无人靶机上传统的单极子天线,经过实测通信距离得到了显著增加,且通信无盲区更可靠。该天线具有结构简单、加工成本低、剖面低、波束宽等优势,在高速无人靶机上具有广阔的应用前景。

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