三頻段嵌入式共形天線設(shè)計(jì)

袁楠 吳軍軍 劉永霞

摘要：共形天線是機(jī)載天線的發(fā)展方向之一，可以使天線與飛機(jī)蒙皮共形，實(shí)現(xiàn)天線的隱身化，減小飛機(jī)的飛行阻力，越來(lái)越多被使用，本文提出的共形天線，是可以與無(wú)人機(jī)等載體共形的嵌入式天線，天線高度低，但可以實(shí)現(xiàn)水平面全向，且可以在三個(gè)頻率段工作。

關(guān)鍵詞：共形;垂直極化;三頻段

中圖分類號(hào)：TN823 文獻(xiàn)標(biāo)識(shí)碼：A 文章編號(hào)：1007-9416（2019）12-0147-02

0 引言

天線是現(xiàn)代飛行器上必不可少的組成部分，例如飛機(jī)的的通信、導(dǎo)航、敵我識(shí)別、電子戰(zhàn)、雷達(dá)等設(shè)備都離不開(kāi)天線。共形天線是一種特殊的天線形式，它是指天線的外形可以與載體的外表面共形的天線，也就是說(shuō)天線的表面外形是由載體的氣動(dòng)外形或功能外形所確定的，而不是由天線的電磁外形所確定。一般的通信天線為垂直極化天線，要求水平面具有全向方向圖，所以設(shè)計(jì)時(shí)將天線設(shè)計(jì)成垂直高度較高的刀型結(jié)構(gòu)[1]，基本形狀類似與飛機(jī)的垂尾，在飛行中天線不僅會(huì)增大飛機(jī)的雷達(dá)散射截面，還會(huì)降低飛機(jī)的機(jī)動(dòng)作戰(zhàn)的能力。如果改變天線的結(jié)構(gòu)形式，使天線可以與飛機(jī)的某些表面共形，將天線隱藏起來(lái)，這樣就使天線變成了共形天線。近年來(lái)航空技術(shù)快速發(fā)展，越來(lái)越多的飛機(jī)提出了共形天線的需求，使得共形天線變成了研究熱點(diǎn)問(wèn)題。

1 共形中的三頻段天線設(shè)計(jì)

一架飛機(jī)上往往會(huì)裝有多副天線，一般為20多副，對(duì)于軍用飛機(jī)有可能多達(dá)70多副[2]，這些天線只有極少部分安裝在機(jī)身內(nèi)部，絕大多數(shù)都突出在機(jī)身外部，外部安裝的天線，一般需要配套突出機(jī)身的天線罩，使天線免受外部氣動(dòng)載荷的影響。飛機(jī)上的這些傳統(tǒng)的天線，無(wú)論安裝在哪里，都會(huì)對(duì)飛機(jī)的氣動(dòng)特性產(chǎn)生不利的影響，并且增大飛機(jī)的雷達(dá)散射截面（RCS），降低天線的隱形能力。所以，從改善飛機(jī)的氣動(dòng)外形和降低RCS角度出發(fā)，都希望對(duì)傳統(tǒng)的天線加已改進(jìn)，采用嵌入式共形天線，嵌入式共形天線具有低剖面的特點(diǎn)，可以安裝在飛機(jī)表面而不增加額外的飛行風(fēng)阻。

本文設(shè)計(jì)一款工作在UHF頻段三個(gè)頻點(diǎn)的垂直極化天線，要求該天線在水平面具有全向的方向圖，同時(shí)天線需嵌入安裝到載體上保持共形。共形的要求使得天線的總高度較低，腔體深度為9mm，腔體大小為208mm×84mm，天線設(shè)計(jì)時(shí)輻射體的不得突出腔體表面，這相比該天線最低工作頻段波長(zhǎng)760mm來(lái)說(shuō)，天線空間尺寸非常小，屬于電小天線設(shè)計(jì)范疇，所以傳統(tǒng)的嵌入盤(pán)形結(jié)構(gòu)無(wú)法滿足這么小的尺寸要求[3]。本文采用環(huán)形縫隙結(jié)構(gòu)實(shí)現(xiàn)天線的電小，并采用雙接地柱設(shè)計(jì)實(shí)現(xiàn)電小天線的諧振工作。為了滿足天線三個(gè)頻點(diǎn)工作要求，通過(guò)在環(huán)形縫隙結(jié)構(gòu)內(nèi)部增加寄生枝節(jié)，產(chǎn)生了兩個(gè)新的諧振模式，分別在中頻和高頻形成了兩個(gè)所需的諧振點(diǎn)。同時(shí)由于天線的電小特性，天線的匹配也是一個(gè)難點(diǎn)，本文采用耦合饋電方式，對(duì)環(huán)形縫隙結(jié)構(gòu)和寄生枝節(jié)提供感性加載，提高天線的匹配能力。最終天線的基本結(jié)構(gòu)如圖1所示。

2 三頻段天線分析

天線的基本結(jié)構(gòu)已經(jīng)確定，需要對(duì)天線的詳細(xì)尺寸進(jìn)行設(shè)計(jì)，并且由于天線是窄帶多頻點(diǎn)天線，所以要對(duì)主要影響天線諧振頻率點(diǎn)和駐波比的參數(shù)進(jìn)行分析。經(jīng)過(guò)大量的仿真論證發(fā)現(xiàn)，影響天線諧振頻率點(diǎn)的參數(shù)有很多，但影響較大的參數(shù)較為單一，低端諧振頻率點(diǎn)主要受到縫隙環(huán)的周長(zhǎng)S影響，S值增大，諧振頻率點(diǎn)降低;中段諧振頻率點(diǎn)主要受到上寄生枝節(jié)長(zhǎng)度YL4影響，當(dāng)YL4長(zhǎng)度增加時(shí)，中段諧振點(diǎn)較大向低頻較大幅度移動(dòng)，高頻諧振點(diǎn)較小幅度向低頻移動(dòng)，如圖2所示;高端諧振頻率點(diǎn)主要由下寄生枝節(jié)長(zhǎng)度YL1影響，當(dāng)下寄生枝節(jié)長(zhǎng)度增加時(shí)，高頻諧振向低頻較大幅度的移動(dòng)，中頻諧振點(diǎn)有較小幅度的移動(dòng);天線中心的耦合饋電方式對(duì)諧振點(diǎn)的電壓駐波比影響較大，當(dāng)改變耦饋電寬度LY3時(shí)，天線的諧振點(diǎn)電壓駐波比會(huì)整體移動(dòng)，如圖3所示。

3 天線性能測(cè)試

通過(guò)第三節(jié)對(duì)天線的主要參數(shù)進(jìn)行分析，確定了影響天線諧振頻率和電壓駐波比的關(guān)鍵因素，所以對(duì)天線的各個(gè)參數(shù)進(jìn)行優(yōu)化，根據(jù)天線的諧振頻率點(diǎn)要求，進(jìn)行仿真計(jì)算，最終天線的電壓駐波比如圖4所示，天線在393.3Mhz、552.8Mhz、576.6Mhz諧振。各頻點(diǎn)的方向圖如表1所示，天線的方向圖在水平面具有全向性，隨著頻率的升高，天線的方向圖逐步上翹，但仍能滿足使用要求。

根據(jù)上述理論的分析，設(shè)計(jì)了嵌入式共形天線的樣機(jī)，三維圖如圖5所示，天線環(huán)形輻射部分采用聚四氟乙烯板制作，并在中間開(kāi)方形槽，垂直耦合通過(guò)方槽從天線環(huán)形輻射部分中心槽中穿出。天線殼體采用鋁合金機(jī)械加工而成，中間形成內(nèi)腔用于安裝輻射體，外部設(shè)計(jì)法蘭用于共形天線與飛機(jī)蒙皮的嵌入式共形安裝。

4 結(jié)語(yǔ)

本文提出的嵌入式共形天線，是在電小天線的基礎(chǔ)上實(shí)現(xiàn)嵌入式共形，由于電小天線的特點(diǎn)，Q值較高，實(shí)現(xiàn)天線的垂直極化和寬帶化均較困難，本文采用環(huán)形縫隙設(shè)計(jì)方法，并增加了寄生直接，實(shí)現(xiàn)了所需的三個(gè)頻段的有效設(shè)計(jì)，最終設(shè)計(jì)了一款高度僅9mm，但最低可以工作在393Mhz的嵌入式共形天線。

參考文獻(xiàn)

[1] 錢志偉，王忍.一種刀形機(jī)載天線的結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)[J].通信對(duì)抗，2013，32（02）：51-53.

[2] 朱松.共形天線的發(fā)展及其電子戰(zhàn)應(yīng)用[J].中國(guó)電子科學(xué)研究院學(xué)報(bào)，2007（06）：562-567.

[3] 聶在平.天線工程手冊(cè)[M].西安電子科技大學(xué)出版社，2014：237.

Three-band Embedded Conformal Antenna Design

YUAN Nan，WU Jun-jun，LIU Yong-xia

（Chinese Flight Test Establishment， Xi'an? Shaanxi? 710089）

Abstract：Conformal antennas are one of the development directions of airborne antennas， which can make the antenna conform to the skin of the aircraft， realize the stealth of the antenna， reduce the flight resistance of the aircraft， and are increasingly used. The antenna is an embedded antenna that can be conformed to a carrier such as a drone. The antenna height is low， but it can achieve omnidirectional horizontal planes， and it can work in three frequency bands.

Key words：conformal antenna;vertical polarization;three-band antenna