加载辐射体异形机载天线的设计

张志端，李思敏，曹卫平，王定雄，孙成杰

(桂林电子科技大学 天线与射频研究中心，广西 桂林 541004)

0 引言

机载天线多用于飞机与陆地控制塔台空地通信、与空中其他飞行器的联络[1-3]。随着机载天线的发展，VHF/UHF频段的机载天线应用越来越广泛，研究和设计小型化宽带化机载天线已经成为当前研究的热点。

线形双锥天线[4-5]属于宽带天线的一种，但是由于其结构限制，很难适应机载天线低剖面的要求。蝶形天线是双锥天线的一个变种，它不仅结构重量轻，设计成本较低，且本身就是低剖面结构，能够减少天线所需物理空间[6-8]。常规蝶形天线在飞机上使用时，在实现小型化、宽带化的要求上，仍受到空间限制，同时还需考虑机载天线定向辐射的要求。

依托实际的工程项目需求，通过研究在蝶形天线基础上进行同平面内加载三角形小辐射体，在不增加天线横向尺寸的基础上展宽了天线的阻抗带宽，同时结合宽带巴伦馈电技术，有效实现了机载蝶形天线的小型化设计。

1 天线设计

1.1 基本原理分析

蝶形天线是有限长双锥天线的平面形式，结构示意如图1所示。

图1 传统蝶形天线结构示意

天线主要结构参数为天线长度h，天线张角α。蝶形天线的特性阻抗Zc可以表示为：

(1)

由式(1)可知，随着天线张角α的增大，天线特性阻抗变化较为平滑，从而实现天线的宽带特性。在工程应用上一般取夹角大小在80°～120°之间比较适宜[4-6]。

1.2 辐射体结构设计

传统蝶形天线虽然有宽带特性[7-9]，但整体尺寸较大，同时机载天线对天线尺寸有严格要求，所以必须对天线进行小型化设计。常规小型化思想，主要是考虑延长电流在主辐射体上的流通路径，在相同尺寸内增加辐射体面积，实现天线的小型化[10-11]。本文设计了一种在不增加天线整体尺寸的情况下，在蝶形天线侧面加载一个三角形辐射体的天线。加载的三角形辐射体，边长L1，L2形成夹角α1，可以增大蝶形天线的α角，改变天线的输入阻抗，对天线的阻抗进行匹配。侧面加载的辐射体，没有增加天线的物理尺寸，同时可以增加天线辐射面积和电流的流经路径。此结构设计在理论上能够实现天线的宽带化和小型化并提高天线增益，天线正面模型结构如图2所示。

图2 天线正面模型结构

为了实现天线的定向辐射且得到较高的增益，降低外界对天线的电磁干扰，给天线加上三面金属背腔。天线整体结构模型如图3所示。三面金属背腔分别为底面和左右2个侧面。金属背腔高度H影响天线的辐射特性，当金属背腔高度H=λ/4时，金属背腔反射回来的波与辐射波进行叠加，其中λ为天线的低频段工作频率对应的波长[12]。在三面金属板上进行镂空设计，可以减小电磁波在侧壁的反射，而且由于金属背腔重量减少，天线的整体重量降低，背腔选用厚度为1.5 mm的铝板制成。

图3 天线整体结构模型

1.3 馈电巴伦设计

蝶形天线是对称的平衡结构，因此需要对天线进行平衡馈电[13-15]。在馈电端采用不平衡-平衡的馈电方式，使天线处在平衡馈电状态。本文设计的蝶形天线馈电阻抗为80 Ω，外部馈电输入阻抗为50 Ω，故需要在馈电端对天线进行匹配。设计了一个宽带指数渐变巴伦，利用指数渐变线完成从不平衡-平衡的馈电方式转换，实现天线和传输线之间平衡传输[16-18]。同时宽带馈电巴伦起到一个阻抗变换的作用，进行了阻抗匹配，进一步对天线带宽进行拓宽。指数渐变巴伦结构如图4所示，W0为平行双线输出端连接天线的金属导带宽度，W1为50 Ω微带线输入端宽度，W3为微带线地端的宽度。

图4 指数渐变巴伦结构

1.4 天线实物

根据理论分析，利用仿真软件进行模型设计和优化得到最优化结构，并进行实物制作。天线选用介电常数为4.4，厚度为1.6 mm的普通FR4印制板设计制作；馈电巴伦选用介电常数为4.4，厚度为3.2 mm的FR4印制板制作。实物天线整体如图5所示。经过扫参、优化设计后，天线结构和平衡巴伦的结构尺寸参数值如下：R=152 mm，L1=109 mm，L2=93 mm，L=319.5 mm，W=300 mm，H=138 mm，W0=2.8 mm，W1=4.5 mm，W2=46.0 mm。

图5 实物天线整体

2 结果分析

根据制作的天线与平衡巴伦，进行组装后并测试。得到天线实测和仿真反射系数如图6所示。

图6 天线实测和仿真反射系数

仿真和实测结果表明，在200～400 MHz频段内，S11都小于-10 dB。说明在蝶形天线侧面添加小辐射体，能够增加天线在低频端的电流路径，使天线的电长度增大，相当于拓展了低频段的带宽。由图6可知，天线具备较好的驻波特性，相对带宽达到67%。同时，对天线增益进行测试，在整个频段内增益都在4 dB以上，天线增益曲线如图7所示。

图7 天线增益曲线

实际加工制作的板材与标准的理想板材相比，电磁特性更为复杂，这对天线的性能产生一定的影响，导致实测增益比仿真增益略低。

在200～400 MHz频段内设置3个频点来观察天线辐射方向，如图8所示，分别取1(200 MHz)，2(300 MHz)，3(400 MHz)。

图8 天线辐射方向图

由图8可知，天线的最大方向图与仿真的趋势相一致，后瓣方向图与仿真结果有所差异，产生差异的原因是测量不够准确。天线工作频率较低，方向图测试是在室外空旷的场地，在天线方向图尾瓣测量时，由于待测天线的尾瓣接收电平变得很低，人为地旋转天线会增大数据的误差，同时外界环境也会对测试产生影响，导致实测的天线方向图尾瓣与仿真差异较大。

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3 结束语

本文设计并制作在蝶形天线同平面内侧边加载辐射体，有效地利用加载辐射体延长电流的流通路径，增大了天线辐射体面积，展宽天线带宽的同时提高了天线增益，同时设计宽带巴伦与金属背腔均达到设计效果。天线的实测结果证明了设计思路的正确性和有效性，具有一定的工程使用价值。