加載輻射體異形機載天線的設計

張志端，李思敏，曹衛(wèi)平，王定雄，孫成杰

(桂林電子科技大學 天線與射頻研究中心，廣西 桂林 541004)

0 引言

機載天線多用于飛機與陸地控制塔臺空地通信、與空中其他飛行器的聯(lián)絡[1-3]。隨著機載天線的發(fā)展，VHF/UHF頻段的機載天線應用越來越廣泛，研究和設計小型化寬帶化機載天線已經成為當前研究的熱點。

線形雙錐天線[4-5]屬于寬帶天線的一種，但是由于其結構限制，很難適應機載天線低剖面的要求。蝶形天線是雙錐天線的一個變種，它不僅結構重量輕，設計成本較低，且本身就是低剖面結構，能夠減少天線所需物理空間[6-8]。常規(guī)蝶形天線在飛機上使用時，在實現(xiàn)小型化、寬帶化的要求上，仍受到空間限制，同時還需考慮機載天線定向輻射的要求。

依托實際的工程項目需求，通過研究在蝶形天線基礎上進行同平面內加載三角形小輻射體，在不增加天線橫向尺寸的基礎上展寬了天線的阻抗帶寬，同時結合寬帶巴倫饋電技術，有效實現(xiàn)了機載蝶形天線的小型化設計。

1 天線設計

1.1 基本原理分析

蝶形天線是有限長雙錐天線的平面形式，結構示意如圖1所示。

圖1 傳統(tǒng)蝶形天線結構示意

天線主要結構參數(shù)為天線長度h，天線張角α。蝶形天線的特性阻抗Zc可以表示為：

(1)

由式(1)可知，隨著天線張角α的增大，天線特性阻抗變化較為平滑，從而實現(xiàn)天線的寬帶特性。在工程應用上一般取夾角大小在80°～120°之間比較適宜[4-6]。

1.2 輻射體結構設計

傳統(tǒng)蝶形天線雖然有寬帶特性[7-9]，但整體尺寸較大，同時機載天線對天線尺寸有嚴格要求，所以必須對天線進行小型化設計。常規(guī)小型化思想，主要是考慮延長電流在主輻射體上的流通路徑，在相同尺寸內增加輻射體面積，實現(xiàn)天線的小型化[10-11]。本文設計了一種在不增加天線整體尺寸的情況下，在蝶形天線側面加載一個三角形輻射體的天線。加載的三角形輻射體，邊長L1，L2形成夾角α1，可以增大蝶形天線的α角，改變天線的輸入阻抗，對天線的阻抗進行匹配。側面加載的輻射體，沒有增加天線的物理尺寸，同時可以增加天線輻射面積和電流的流經路徑。此結構設計在理論上能夠實現(xiàn)天線的寬帶化和小型化并提高天線增益，天線正面模型結構如圖2所示。

圖2 天線正面模型結構

為了實現(xiàn)天線的定向輻射且得到較高的增益，降低外界對天線的電磁干擾，給天線加上三面金屬背腔。天線整體結構模型如圖3所示。三面金屬背腔分別為底面和左右2個側面。金屬背腔高度H影響天線的輻射特性，當金屬背腔高度H=λ/4時，金屬背腔反射回來的波與輻射波進行疊加，其中λ為天線的低頻段工作頻率對應的波長[12]。在三面金屬板上進行鏤空設計，可以減小電磁波在側壁的反射，而且由于金屬背腔重量減少，天線的整體重量降低，背腔選用厚度為1.5 mm的鋁板制成。

圖3 天線整體結構模型

1.3 饋電巴倫設計

蝶形天線是對稱的平衡結構，因此需要對天線進行平衡饋電[13-15]。在饋電端采用不平衡-平衡的饋電方式，使天線處在平衡饋電狀態(tài)。本文設計的蝶形天線饋電阻抗為80 Ω，外部饋電輸入阻抗為50 Ω，故需要在饋電端對天線進行匹配。設計了一個寬帶指數(shù)漸變巴倫，利用指數(shù)漸變線完成從不平衡-平衡的饋電方式轉換，實現(xiàn)天線和傳輸線之間平衡傳輸[16-18]。同時寬帶饋電巴倫起到一個阻抗變換的作用，進行了阻抗匹配，進一步對天線帶寬進行拓寬。指數(shù)漸變巴倫結構如圖4所示，W0為平行雙線輸出端連接天線的金屬導帶寬度，W1為50 Ω微帶線輸入端寬度，W3為微帶線地端的寬度。

圖4 指數(shù)漸變巴倫結構

1.4 天線實物

根據(jù)理論分析，利用仿真軟件進行模型設計和優(yōu)化得到最優(yōu)化結構，并進行實物制作。天線選用介電常數(shù)為4.4，厚度為1.6 mm的普通FR4印制板設計制作；饋電巴倫選用介電常數(shù)為4.4，厚度為3.2 mm的FR4印制板制作。實物天線整體如圖5所示。經過掃參、優(yōu)化設計后，天線結構和平衡巴倫的結構尺寸參數(shù)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。

圖5 實物天線整體

2 結果分析

根據(jù)制作的天線與平衡巴倫，進行組裝后并測試。得到天線實測和仿真反射系數(shù)如圖6所示。

圖6 天線實測和仿真反射系數(shù)

仿真和實測結果表明，在200～400 MHz頻段內，S11都小于-10 dB。說明在蝶形天線側面添加小輻射體，能夠增加天線在低頻端的電流路徑，使天線的電長度增大，相當于拓展了低頻段的帶寬。由圖6可知，天線具備較好的駐波特性，相對帶寬達到67%。同時，對天線增益進行測試，在整個頻段內增益都在4 dB以上，天線增益曲線如圖7所示。

圖7 天線增益曲線

實際加工制作的板材與標準的理想板材相比，電磁特性更為復雜，這對天線的性能產生一定的影響，導致實測增益比仿真增益略低。

在200～400 MHz頻段內設置3個頻點來觀察天線輻射方向，如圖8所示，分別取1(200 MHz)，2(300 MHz)，3(400 MHz)。

圖8 天線輻射方向圖

由圖8可知，天線的最大方向圖與仿真的趨勢相一致，后瓣方向圖與仿真結果有所差異，產生差異的原因是測量不夠準確。天線工作頻率較低，方向圖測試是在室外空曠的場地，在天線方向圖尾瓣測量時，由于待測天線的尾瓣接收電平變得很低，人為地旋轉天線會增大數(shù)據(jù)的誤差，同時外界環(huán)境也會對測試產生影響，導致實測的天線方向圖尾瓣與仿真差異較大。

發(fā)展型戰(zhàn)略是現(xiàn)有企業(yè)依靠自身的力量或與其他企業(yè)聯(lián)合，以促進企業(yè)經營不斷快速增長的一種戰(zhàn)略。這是一種企業(yè)不滿足現(xiàn)狀，力圖向更高層次邁進的戰(zhàn)略。企業(yè)處于成長期時多選用增長型戰(zhàn)略。但是，成長期高速的發(fā)展和名目眾多的投資機會也會誘使企業(yè)放棄主陣地，盲目進行超速擴張和多元化經營，易陷入戰(zhàn)略上的“冒進陷阱”，導致企業(yè)步入困境，甚至是衰亡。因此，在企業(yè)選擇增長型戰(zhàn)略時需要把握好企業(yè)發(fā)展的度。

3 結束語

本文設計并制作在蝶形天線同平面內側邊加載輻射體，有效地利用加載輻射體延長電流的流通路徑，增大了天線輻射體面積，展寬天線帶寬的同時提高了天線增益，同時設計寬帶巴倫與金屬背腔均達到設計效果。天線的實測結果證明了設計思路的正確性和有效性，具有一定的工程使用價值。