一种用于空地通信的机载宽带双锥天线的设计

徐 平，唐延新

(西安导航技术研究所 通信事业部，陕西 西安 710068)



一种用于空地通信的机载宽带双锥天线的设计

徐 平，唐延新

(西安导航技术研究所 通信事业部，陕西 西安 710068)

提出了一种用于空地通信的机载宽带双锥天线。通过采用不对称的折线椎体结构，使得天线在满足工作带宽的基础上，实现方向图波束的上倾。仿真结果表明，天线在14.5～16.5 GHz频带内反射系数<-15 dB，在仰角-5°～+25°范围内增益>0 dBi，半功率波束宽度>30°，不圆度优于1 dB。

双锥天线；宽带；不对称椎体

天线是辐射和接收电磁波的关键部件，是无线通信系统的重要组成部分[1-3]。为适应通信装备变革要求，宽频带天线这一关键技术也日趋活跃[4-9]。

机载平台下的无线通信中，多采用垂直极化的全向天线来实现载体机动时的不间断通信。常用的机载全向天线有单极子天线，双锥天线等。传统的双锥天线多采用对称椎体结构，可满足工作宽带，但无法对辐射方向图进行控制。基于空地通信的需求，常需要天线辐射方向有一定的倾斜角度；同时，为保证飞机远距离时的通信良好，需要天线的辐射方向图在以一定仰角范围内保持良好的增益和不圆度[10-15]。

本文设计了一种折线椎体结构的宽带双锥天线。通过引入的折线椎体结构，有效实现了天线最大辐射方向的上倾，并保证了俯仰面方向图的波束覆盖，满足机载平台的空地通信需求。天线在14.5～16.5 GHz频带内反射系数<-15 dB，在仰角-5°～+25°范围内增益<1 dBi，不圆度优于1 dB，3 dB波束宽度>30°。

1 天线设计与结构

提出的双锥天线示意图如图1所示。天线由天线罩、上椎体、下椎体、连接器等4部分组成。

图1 双锥天线示意图

利用折线椎体结构的上椎体与非对称的下椎体，可在上、下两个椎体之间形成多个不等的锥角，进而实现对天线俯仰面方向图的波束控制。

图2 天线装配结构示意图

如图2所示，天线采用阶梯状的天线罩和连接器来实现天线两椎体之间的位置固定。

2 天线仿真与分析

使用3D电磁仿真软件ANSYS HFSS对设计的宽带双锥天线进行了仿真优化分析，得到的最终尺寸如下：R1=18 mm，R2=5 mm，R3=24 mm，R4=2 mm，R5=4.5 mm，R6=36 mm，d=1 mm，H1=4 mm，H2=8 mm，H3=13 mm，H4=1 mm，H5=1 mm，H6=8 mm。

图3和图4给出了天线折线椎体的中间椎体的高度H2、半径R2不同时，天线电压驻波比的仿真结果。如图所示，改变H2、R2，可以对天线的谐振点进行微调。

图3 参数H2对天线电压驻波比的影响

图4 参数R2对天线电压驻波比的影响

图5给出了天线不对称椎体的馈电间距d变化时，天线电压驻波比的仿真结果。可以看出，随着馈电间距的增大，天线电压驻波比变大而且变化明显。

图5 参数d对天线电压驻波比的影响

图6和图7给出了参数H2、R2不同时，天线中心频率的俯仰面辐射方向图的仿真结果。从中可以看出，中间椎体的结构尺寸对天线的俯仰面方向图影响很大，可通过优化该参数，实现所需的方向图。

图6 参数H2对天线辐射方向图的影响

图7 参数R2对天线辐射方向图的影响

图8给出天线在引入不对称的折线椎体结构前后的天线中心频率的俯仰面辐射方向图的仿真结果，可以看出，引入改进结构对天线方向图的最大辐射方向、3 dB波束宽度等有明显的调节。

图9给出了天线反射系数的仿真结果。从图中可以看出，天线在14.5～16.5 GHz工作频带内反射系数<-15 dB。图10给出天线的方向图仿真结果，可以看出天线在仰角-5°～+25°范围内增益>0 dBi，3 dB波束宽度>30°，不圆度优于1 dB。

图8 结构改进引入前后的天线辐射方向图

图9 天线反射系数仿真结果

图10 天线辐射方向图仿真结果

3 结束语

本文设计了一种用于空地通信的机载宽带双锥天线。利用引入的不对称折线椎体结构，实现了天线在宽频带上的方向图波束上倾。仿真结果表明，天线在14.5～16.5 GHz频带内反射系数<-15 dB，俯仰面方向图上倾5°～10°，3 dB波束宽度>30°。

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Design of a Broadband Dual-Cone Antenna for Air-Ground Communication

XU Ping，TANG Yanxin

(The Ministry of Communications, Xi'an Research Institute of Navigation Technology, Xi’an 710068, China)

A broadband dual-cone antenna for air-ground communication is proposed. A broad operation band and radiation characteristics of tilted beam can be obtain by using asymmetric curvilinear cone. The simulated results show that the reflection coefficients are less than -15dB over the operating band of 14.5 ～ 16.5 GHz, with the gain greater than 0 dBi at elevation angle of -5° ～ +25°, the 3 dB beam width greater than 30°, and the un-roundess of pattern less than 1dB.

Dual-cone antenna; broadband; asymmetric cone

2016- 11- 07

中国博士后科学基金(2017M613188)

徐平(1988-)，男，博士，工程师。研究方向：天线与射频电路。

10.16180/j.cnki.issn1007-7820.2017.07.044

TN821

A

1007-7820(2017)07-156-03