小型化X波段介质加载单极子天线

陈 伟，文瑞虎，范 永

(机电工程与控制国家级重点实验室，西安 710065)

【信息科学与控制工程】

小型化X波段介质加载单极子天线

陈 伟，文瑞虎，范 永

(机电工程与控制国家级重点实验室，西安 710065)

针对传统单极子天线在X波段体积大，不利于常规炮弹引信小型化的问题，提出了小型化X波段介质加载单极子天线。该天线的辐射单元采用空心棒状结构，通过锥形过渡结构与同轴馈线连接，辐射单元内嵌在介质套筒中与抛物面底板通过台状结构咬合固定。测试表明：天线尺寸相对于传统单极子天线减小30%，带宽增大50%。该天线有利于引信的小型化，可以应用于多种无线电探测引信中。

无线电近炸引信；单极子天线 ；介质加载；小型化

近年来，战场环境的复杂化对无线电近炸引信提出了越来越高的要求，其中微小型化是引信发展的重要方向。天线作为无线电近炸引信的重要部件，其性能好坏直接决定了整个引信系统的性能，实现引信微小型化的前提是实现天线的小型化[1]。在引信系统使用的天线中，单极子天线由于其具有结构简单、全向辐射等突出优点，适用于引信系统。然而传统线型和面型单极子天线在X波段尺寸较大[2-3]，不利于引信小型化，而天线性能对天线长度特别敏感，天线尺寸与波长的比值往往对天线辐射特性起决定性作用，减小天线尺寸往往意味着频带宽度、增益和辐射效率等参数指标降低[4-5]，故在传统的单极子天线基础上，单纯减小天线尺寸以实现小型化不能满足要求。本文针对此问题，提出小型化X波段介质加载单极子天线。

1 传统单极子天线

传统单极子天线分为线型和面型两种，结构如图1、图2所示。传统线型单极子天线由垂直于地面的铜线构成，这种天线用同轴线馈电，同轴线内导体延长为辐射体,同轴线外导体的内壁电流与内导体电流同向，构成了辐射体的一部分，同轴线外导体内壁电流与内导体电流大小相等、方向相反，起到传输线的作用[6]，铜线长度L决定了单极子天线本身的方向图。

传统面型单极子天线是将线天线中的铜线换为金属面，由于较线天线具有高的强度，可以适应大的过载，是目前主要应用的天线。无论是线天线还是面天线，其原理都相同，铜线的长度决定了天线本身的方向图。

传统线型单极子天线带宽受铜线截面积与直线长度比值R/L的影响，其-10 dB带宽一般在10%～20%，当天线长度不变，天线带宽随着铜线直径变大而变宽，这主要是由于电流区域的扩张导致辐射电阻变大。基于这种增加辐射单元表面积的思想，常规单极子天线中的铜线被平面铜板取代，继而产生了平面单极子天线。通过这种技术单极子天线的带宽得剑了明显的展宽。实际应用中，可将面辐射单元的形状设计成方形、圆形、三角形、梯形以及“帽”形[7-8]。

图1 传统线型单极子天线结构

图2 传统平面型单极子天线

天线的方向图函数为

(1)

为满足探测器45°落角要求，且天线主波瓣对地面目标垂直照射，使得目标回波功率最大。本研究需要设计天线主波束与法线夹角为45°，故天线设计要求为：天线工作频率8 GHz，与法线夹角45°。天线辐射方向如图3所示。

图3 天线辐射方向图

图4 单极子接地天线垂直平面方向图(极坐标)

天线性能对天线长度特别敏感，天线尺寸与波长的比值往往对天线辐射特性起决定作用，减小天线尺寸往往意味着频带宽度、增益和辐射效率等参数指标降低，故在传统的单极子天线基础上，单纯减小天线尺寸以实现小型化不能满足要求。

2 小型化X波段介质加载单极子天线

针对常规炮弹无线电引信的特定外形，结合传统单极子天线的设计理论，本文通过介质加载，馈电与天线辐射单元的锥形过渡和对天线地板采用抛物面等方法，通过在全波电磁仿真软件HFSS中建模仿真优化，设计出小型化X波段介质加载单极子天线。

小型化X波段介质加载单极子天线结构如图4所示，由天线辐射单元、同轴馈线、介质套筒、底板和将介质套筒和地板咬合的台状固定结构组成。通过同轴馈线对天线辐射单元进行馈电，天线辐射单元将电流以电磁波的方式向空间辐射，通过调整辐射单元的高度、半径、介质套筒的外形和介电常数、金属底板的抛物面弧度完成天线理想工作频率和方向图的设计。

图4 小型化X波段介质加载单极子天线

首先根据天线的方向图函数式(1)，计算理想方向图下的单极子天线长度h,本文通过介质加载技术减小天线尺寸，天线的缩短系数为F

(2)

根据式(1)、式(2)求得小型化单极子天线的长度h。

天线辐射单元采用空心棒状结构，这种结构有效减少了天线的质量，通过锥形过渡结构将天线辐射单元同同轴馈线连接，达到阻抗匹配，有效提高天线的工作带宽。

金属地板与套筒采用台状结构咬合固定，并且金属地板内表面采用抛物面，该结构具有抑制天线辐射单元电磁场绕射，减小天线后向辐射和增大同介质套筒接触面积减小过载垂直分量的作用，提高了天线的抗高过载能力。

该天线的辐射单元采用空心棒状结构，通过锥形过渡结构与同轴馈线连接，辐射单元内嵌在介质套筒中与抛物面底板通过台状结构咬合固定。该天线的辐射单元采用空心棒状结构，通过锥形过渡结构与同轴馈线连接，辐射单元内嵌在介质套筒中与抛物面底板通过台状结构咬合固定，大大减小天线尺寸，满足小型化要求。

3 仿真及实物测试

3.1 天线仿真

本文设计了小型化X波段介质加载单极子天线，根据理论计算初值在全波电磁仿真软件HFSS中建模，如图5所示。通过对相关参数的优化得到理想工作频率和方向图的天线模型。

图5 小型化单极子天线HFSS模型

天线辐射单元半径6.4 mm，高16 mm，辐射单元同同轴馈线之间的锥形过渡部分高6.4 mm，同轴馈线半径0.4 mm，介质套筒高16 mm,上下半径分别为7 mm和12 mm，地板抛物面半径12mm，高5 mm，介质套筒选用介电常数4，损耗角正切值为0.001的聚四氟乙烯。

从图6驻波比仿真结果看出：在6.69～9.96 GHz,3.27 GHz带宽内驻波比小于2，说明该天线在很宽的频带内实现了阻抗匹配，可以实现能量的最大化传输，满足天线设计需求。

图6 天线输入端口驻波比仿真结果

图7为天线的E面仿真方向图，从仿真结果可以看出天线最大增益4.87dB，与法线夹角46°，半波束宽度44°。

图7 E面方向图仿真结果

3.2 实物测试

根据理论计算和仿真优化结果进行了实物加工，如图8所示，并对实物天线进行了相关参数的测试。

图8 小型化单极子天线实物

天线辐射单元半径6.4 mm，高16 mm，辐射单元同同轴馈线之间的锥形过渡部分高6.4 mm，同轴馈线半径0.4 mm，介质套筒高16 mm,上下半径分别为7 mm和12 mm，地板抛物面半径12 mm，高5 mm，介质套筒选用介电常数4，损耗角正切值为0.001的聚四氟乙烯，比传统引信用单极子天线尺寸减小30%，有利于引信的小型化。

对天线通过矢量网络分析仪测试其电压反射参数。图9所示为天线输入端口驻波比测试结果，从测试结果看出在7.005～10 GHz，2.995 GHz带宽内，反射参数小于-10 dB，即电压驻波比小于2，说明该天线在很宽的频带内实现了阻抗匹配，可以实现能量的最大化传输，与仿真结果基本一致。

将天线置于电波暗室中，对天线进行E面方向图测试。

图9 天线输入端口驻波比测试结果

图10所示为天线的E面方向图微波暗室测试结果，从测试结果可以看出天线最大增益4.8 dB，与法线夹角46°，半波束宽度44°，与仿真结果一致。

以上测试可见，该天线在7.005～10 GHz，2.995 GHz带宽内，反射参数小于-10 dB，即电压驻波比小于2，天线最大增益4.8dB，与法线夹角46°，半波束宽度44°，尺寸相对于传统单极子天线减小30%，带宽增大50%，满足实际需求。

图10 天线E面方向图测试结果

4 结论

设计了小型化X波段介质加载单极子天线，辐射单元采用空心棒状结构，通过锥形过渡结构与同轴馈线连接，辐射单元内嵌在介质套筒中与抛物面形状的底板通过台状结构进行咬合固定。根据仿真结果，加工了实物。天线高16 mm，半径12 mm，比传统引信用单极子天线尺寸减小30%，对实物进行测试，天线在7.005～10 GHz内具有2.995 GHz带宽，工作带宽增大；天线最大增益4.87 dB，与法线夹角46°，半波束宽度44°。该小型化单极子天线增益满足需求，尺寸相对于传统单极子天线减小30%，带宽增大50%，有利于引信的小型化，可以应用于多种无线电探测引信中。

[1] 林昌禄，聂在平.天线工程手册[M].北京：电子工业出版社,2002.

[2] 章文勋.天线[M].北京：电子工业出版社,2006.

[3] 朱建清，田立松.微波电路引论[M].北京：电子工业出版社,2005.

[4] 郭景丽，贺秀莲，刘其中.有限圆盘地面上套筒单极子天线[J].西安电子科技大学学报(自然科学版)，2004(3):417-421.

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[6] 王磊，傅光，陈俊.一种新颖的套筒单极子天线[J].电子科技，2008(9)：17-19.

[7] 王春.HF单极子天线的研究与实现[D].成都：电子科技大学，2005.

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[9] 余彦民.顶部分形加载单极子天线的研究[D].南京：南京理工大学，2009.

[10]丁胜高.几种柱形脉冲单极子天线的时域分析[D].成都：电子科技大学，2006.

(责任编辑 杨继森)

Miniaturized X Band Dielectric Loaded Monopole Antenna

CHEN Wei, WEN Rui-hu, FAN Yong

(National Key Laboratory of Electromechanical Engineering and Control, Xi’an 710065, China)

For solving the problem that traditional X-band monopole antenna has large volume, which is not suitable for conventional shell fuze miniaturization, we proposed miniaturized X band dielectric loaded monopole antenna. The radiation unit of the antenna used hollow rod like structure, and through the coaxial feeder connection, radiation unit was embedded in the bottom plate of the medium sleeve with a parabolic shape through shaped structure to bite fixed. The test shows that the antenna size relative to the conventional monopole antenna is reduced by 30%,increasing 50% bandwidth, for fuze miniaturization can applied to a variety of radio detection fuze.

radio proximity fuze; monopole antenna; medium loading; miniaturized

2016-09-22；

2016-11-12 作者简介：陈伟(1987—)，男，硕士，工程师，主要从事天线设计与微波研究。

10.11809/scbgxb2017.03.029

陈伟，文瑞虎，范永.小型化X波段介质加载单极子天线[J].兵器装备工程学报，2017(3):125-128.

format:CHEN Wei, WEN Rui-hu, FAN Yong.Miniaturized X Band Dielectric Loaded Monopole Antenna[J].Journal of Ordnance Equipment Engineering,2017(3):125-128.

TN823+.18

A

2096-2304(2017)03-0125-04