一種C波段遙測天線的設(shè)計

袁娜　吳軍軍　李鐵軍　李航

摘 要：針對現(xiàn)在遙測系統(tǒng)發(fā)展的需要，本文設(shè)計出一種工作在4.7GHz～5.7GHz（駐波比小于1.5）的C波段遙測天線。設(shè)計基于微帶饋電的小型化印刷矩形單極子天線，通過調(diào)整矩形貼片尺寸來調(diào)節(jié)天線工作的中心頻點；同時調(diào)整饋入端與接地面的間隙來調(diào)節(jié)天線的工作帶寬。仿真和實際測試顯示設(shè)計的天線在工作頻段內(nèi)具有良好的阻抗匹配特性，增益高，方向圖好。

關(guān)鍵詞：印刷矩形單極子天線 饋入結(jié)構(gòu) C波段

中圖分類號：TN822 文獻(xiàn)標(biāo)識碼：A 文章編號：1003-9082（2017）06-0017-01

引言

目前國內(nèi)、外航空遙測系統(tǒng)大都使用L或S波段，頻譜資源有限，成為制約遙測發(fā)展的瓶頸。2007年世界無線電大會（WRC-2007）決定把C波段中的4400 MHz～4940MHz、5091 MHz～5250MHz 和5925 MHz～6700MHz頻段在全球范圍內(nèi)，劃分給了航空遙測使用，C波段將成為遙測發(fā)展的新領(lǐng)域。遙測天線作為遙測收發(fā)機(jī)的前端，必須跟上時代的發(fā)展[1]。

機(jī)載天線通常要求具有小的尺寸、輕的重量和良好的氣動性能。平面印刷單極天線因其結(jié)構(gòu)簡單、尺寸緊湊和輻射特性穩(wěn)定，同時不需要進(jìn)行平衡不平衡的轉(zhuǎn)換等特點，是機(jī)載天線最常用的結(jié)構(gòu)形式[2-5]。

印刷單極天線應(yīng)從振子體和饋入結(jié)構(gòu)兩方面考慮。就振子體而言，主要有矩形、圓或橢圓形、叉指形等多種形態(tài)，其中以橢圓形實現(xiàn)的帶寬最大；就饋入結(jié)構(gòu)而言，主要有微帶饋入和共面波導(dǎo)饋入兩種，相對而言，共面波導(dǎo)結(jié)構(gòu)在增加帶寬方面具有優(yōu)勢，但因自由度增加，其結(jié)構(gòu)優(yōu)化難度增大[6]。利用饋入結(jié)構(gòu)增加帶寬，最重要的是振子體下端與接地面間隙的調(diào)整。

一、天線設(shè)計

1.印刷單極子天線帶寬特性分析

微帶饋電印制矩形單極天線，其矩形振子體可看成柱狀單極天線柱振子體的變形，微帶饋線對應(yīng)于柱狀天線同軸饋線的內(nèi)導(dǎo)體，接地面對應(yīng)于同軸饋線的外導(dǎo)體。因此采用印刷天線矩形表面積與柱狀天線振子柱表面積相等的等效原理，通過對柱狀天線設(shè)計公式的變形，可確定矩形印制單極天線振子體尺寸與諧振頻率的關(guān)系式：

…………………（1）

式中：

—諧振頻率，GHz；

—矩形振子體的長度；

—振子體的寬度；

—振子體與接地面的間隙，單位都取為mm；

—考慮終端效應(yīng)和基板介質(zhì)影響的小于1的修正系數(shù)。

由（1）式即可進(jìn)行印制天線振子體的初步設(shè)計。天線結(jié)構(gòu)如圖1所示[7]。

單極子天線是諧振天線，在諧振頻點時天線阻抗近似表現(xiàn)為純電阻特性，當(dāng)偏離諧振頻點，天線阻抗中的電抗成分即容性或感抗特性要隨頻率而增強(qiáng)。如果利用饋入結(jié)構(gòu)，產(chǎn)生隨頻率變化的電抗成分，而且引入的電抗與振子體原來電抗特性剛好相反，則可在較寬頻帶范圍抵消整個天線的電抗而得到一個與頻率基本無關(guān)的大的阻抗帶寬，甚至實現(xiàn)超寬帶。對于饋入結(jié)構(gòu)，調(diào)整矩形振子體與接地面的間隙g，或改變接地面的形狀，都將改變對應(yīng)的電抗特性，因此可通過對饋入結(jié)構(gòu)的優(yōu)化，實現(xiàn)對原來天線隨頻率變化的電抗成分的補償。在矩形印刷單極子天線中，通過對間隙g的調(diào)整，可使對應(yīng)諧振頻率點的阻抗帶寬得到最大化，因為間隙g引入的電抗可以補償矩形印刷單極子天線中非諧振頻率處原有的電抗成分。

2.結(jié)構(gòu)優(yōu)化

對于矩形印刷單極子天線的設(shè)計，應(yīng)從振子體結(jié)構(gòu)和饋入結(jié)構(gòu)兩方面考慮。按照圖1所示天線結(jié)構(gòu)及變量參數(shù)，利用普通的聚四氟乙烯雙面敷銅電路基板，設(shè)計微帶饋電矩形印刷單極子天線。對于矩形振子體，利用公式（1）進(jìn)行尺寸計算。由于期望的頻率范圍為4.7GHz～5.7GHz內(nèi)的中心頻率為5.2GHz，初步設(shè)計時可以先預(yù)置。按照50Ω的要求，微帶線的寬度為2.5mm；g=1.5mm；長寬比例為；根據(jù)基板介電常數(shù)和終端影響，取=0.84，則利用公式（1），可得矩形振子體長=9.2mm，寬度=6.9mm。最后仿真優(yōu)化可得振子體長度=7mm，寬度=5.5mm，間隙g=1.9mm，微帶線寬度t=2.6mm比較理想。圖2為間隙g對天線頻帶特性的影響，圖3為微帶線寬度t對天線頻帶特性的影響。

3.仿真結(jié)果

對于不同頻率的天線方向圖仿真結(jié)果如圖4所示，天線水平面最低增益大于0.5dBi，具有很好的全向性，E面對稱性很好。

4.8GHz 5.2GHz

5.6GHz

圖4 微帶饋電印刷矩形單極子天線的XOY和YOZ平面的方向圖

結(jié)論

本文通過仿真，設(shè)計出了一種微帶饋電的矩形單極子遙測天線，其工作于4.7GHz～5.7GHz，通過調(diào)整振子尺寸和饋入結(jié)構(gòu)來調(diào)節(jié)天線的阻抗帶寬，包括振子尺寸、振子與接地面之間的間隙和微帶線的寬度的調(diào)整。仿真證明該天線具有全頻段內(nèi)增益高，方向圖良好，阻抗頻帶寬等特點。

參考文獻(xiàn)

[1]白效賢，楊廷捂，袁炳南。航空飛行試驗遙測技術(shù)發(fā)展趨勢與對策[J].測控技術(shù)，2010，29（11）：6-9.

[2]Gerald J. Oortman， Antenna Engineering Handbook， McGraw-Hill， New York， 2007，Chap.40.

[3]Eldek，A.A， Numerical analysis of a small ultra-wideband microstrip-fed tap monopole antenna， Progress In Electromagnetics Research， 2006.

[4]S.Sadat， et al.， A compact microstrip square-ring slot antenna for UWB application， IEEE AP-S， 2006.

[5]M.J.Ammann， Square planar monopole antenna， in Proc. Inst. Elect. Eng. Nat. Conf. Antennas Propag.， U.K.，1999， pp. 37-40.

[6]呂文俊，程 勇，程崇虎等.共面波導(dǎo)饋電小型平面超寬帶天線的設(shè)計與研究[J].微波學(xué)報，2006，22（4）：19-23.

[7]李偉文，黃長斌等.超寬帶單極天線設(shè)計[J].微波學(xué)報.2010，26（2）：30-34.