一種C波段全向天線的設計

摘要 設計了一種C波段全向天線，該天線採用單極天線的變形結構，通過增加短路支柱改善了匹配性能並擴展了頻帶寬度。天線為平面結構，嵌入式安裝，具有結構緊湊、可靠性高、不影響機體氣動性能等特點。樣機測試結果顯示，天線性能滿足指標要求，可應用於飛機等空間飛行體。
關鍵詞 C波段天線；嵌入式；短路支柱

天線作為輻射和接收電磁波的部件，是無線通訊系統中的重要組成部分。隨著科學技術的發展，空間飛行體速度越來越高，飛行體上的天線也由原來的突出式向共形與隱身方向發展。飛行體上配套的天線不僅要滿足系統的電性能，並應具有較高的可靠性，不增加氣動阻力，其電性能在受到砂塵、鹽霧潮溼、高空大氣壓降、靜電和閃電時性能不會下降，要求天線重量輕、尺寸小、低剖面、具有保形性。文中設計了一種嵌入盤形結構的C波段全向天線，採用有限接地面單極天線的變形結構，通過增加短路支柱改善匹配性能及擴展頻帶寬度。天線為平面結構，具有結構緊湊，可靠性高，嵌入式安裝，不影響機體氣動性能等特點。

1 天線分析與設計
設計的C波段全向天線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，單極子天線極化方式為垂直極化，在水平面具有全向方向圖，並具有結構簡單，重量輕、寬頻帶、饋電簡便等特點，被廣泛應用於無線通訊領域。在自由空間，1／4波長的單極天線在垂直平面上的輻射方向圖與半波偶極子天線在垂直平面中的方向圖形狀相似，差別只是在下半空間無輻射。在水平面上垂直單極天線是全向性的。天線的平均阻抗亦為同等臂長的自由空間對稱振子的平均阻抗的1／2。
通過分析對於C波段全向天線的設計，採用小單極子天線作為輻射體，以實現垂直極化和水平面全向特性，能滿足天線系統的電氣性能要求。單極天線是直立於反射面的天線，如圖1(a)所示，如何使天線成為平面結構是該天線研製中較突出的問題，為此在單極天線的頂部加載，按圖1(a)～圖1(d)所示逐步改進其結構。其中圖1(a)是典型的1／4波長的單極天線，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，通過加載，降低了天線實際高度，使天線頂端對地的分布電容增大，提高了天線上電流波腹點的位置，因而等效為增加了天線的有效高度。圖1(c)是進一步降低高度的盤形天線。圖1(d)的天線由圓盤以及介於它和接地面之間的環形縫隙組成，接地面被壓陷到盤的下方，形成一個淺腔。其輻射方向圖與1／4一波長單極天線方向圖相似，這裡腔體深度h為0．02 λ，圓盤直徑d為0．25 λ，腔體直徑D為0．3 λ。天線通過同軸傳輸線在圓盤的圓心饋電，這種天線可以看作大直徑低特性阻抗同軸線的開口端，當環的周長等於一個波長時，環天線產生諧振輸入阻抗。圖1(d)輻射體嵌入接地平面內，可以與機體共形安裝。

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採用圖1(d)的嵌入式盤形天線雖然可以滿足垂直極化、全向方向圖、平面結構這3個設計要素，但其阻抗匹配性能欠佳，為改善天線的匹配性能，增加頻帶寬度，在天線的圓盤與地之間增加了2個短路支柱，如圖2所示。這樣做的好處還體現在使天線處於直流的地電位，在發生雷電衝擊波時保護傳輸線，進而保護系統設備。

依據以上理論分析，設計加工了天線樣機，三維圖如圖3所示。天線體用銅材銑加工，天線腔體成圓筒形，深度4 mm，圓盤由鍍銀銅片衝剪而成。天線腔體填充介質材料為聚四氟乙烯，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，採用TNC插頭輸出。短路支柱、插座芯棒及圓盤採用錫焊固定。