用于單兵手持式終端的平面化四天線系統(tǒng)設(shè)計(jì)

周文輝

(91404 部隊(duì)43 分隊(duì)，河北 秦皇島066000)

0 引言

為適應(yīng)未來戰(zhàn)爭的需要，越來越多的高新技術(shù)已經(jīng)被應(yīng)用于新型單兵作戰(zhàn)系統(tǒng)當(dāng)中。由于先進(jìn)高科技裝備的配備，軍隊(duì)的單兵作戰(zhàn)能力被大大提高。 手持式終端同時(shí)具備定位、導(dǎo)航、通信以及信息共享等功能，是眾多武器裝備中最為重要的設(shè)備之一，在現(xiàn)代戰(zhàn)場中發(fā)揮著至關(guān)重要的作用[1-2]。 手持式終端除了能夠?qū)崿F(xiàn)精準(zhǔn)導(dǎo)航定位、即時(shí)通信等功能，其尺寸和重量也是一個(gè)十分重要的指標(biāo)。天線作為手持式終端設(shè)備中實(shí)現(xiàn)信息輸入和輸出的關(guān)鍵器件，其小型化、輕量化及高集成度的實(shí)現(xiàn)可以進(jìn)一步提高終端設(shè)備的便攜性，從而提高單兵作戰(zhàn)的靈活性和高效性。

本文提出了一種用于手持式終端的平面化多天線系統(tǒng)，將天線系統(tǒng)集成在設(shè)備的保護(hù)蓋板中，進(jìn)一步提升手持式終端的集成度。

1 問題提出

軍隊(duì)使用手持式終端與工業(yè)類和消費(fèi)類手持終端有所不同，除了防水、防摔、防震、防塵等嚴(yán)格的技術(shù)標(biāo)準(zhǔn)和內(nèi)部架構(gòu)之外，衛(wèi)星導(dǎo)航、衛(wèi)星定位以及自組網(wǎng)也是一般軍用手持式平板終端中的基本功能要求[3]。

寬帶自組網(wǎng)技術(shù)具有很強(qiáng)的靈活性和抗毀性，是建立完善的單兵通信系統(tǒng)的核心技術(shù)，被各個(gè)國家廣泛地應(yīng)用于戰(zhàn)略和戰(zhàn)術(shù)綜合通信之中[4]。 傳統(tǒng)設(shè)計(jì)中，自組網(wǎng)天線一般采用水平全向輻射的單極子來實(shí)現(xiàn)，并通過外加套筒來增加天線的帶寬[5]，然而這種天線的長度遠(yuǎn)遠(yuǎn)大于設(shè)備的邊長，不利于設(shè)備的進(jìn)一步小型化。 而衛(wèi)星導(dǎo)航和通信天線一般采用螺旋天線實(shí)現(xiàn)上半空間的圓極化覆蓋[6]，雖然導(dǎo)航和通信頻段較高，天線尺寸大大小于自組網(wǎng)天線，但是螺旋天線的帶寬一般較窄，難以被拓寬，而且都是三維結(jié)構(gòu)且獨(dú)立封裝，不利于設(shè)備集成度的提高。

2 平面化四天線系統(tǒng)設(shè)計(jì)

考慮到上述提到的收發(fā)自組網(wǎng)、衛(wèi)星導(dǎo)航及衛(wèi)星通信天線集成度問題，主要設(shè)計(jì)了一套平面化四天線系統(tǒng)，圖1 給出了所提出的平面化四天線系統(tǒng)的結(jié)構(gòu)示意圖。

該四天線系統(tǒng)中采用的介質(zhì)基板為相對介電常數(shù)為4.4 的FR4 基板，尺寸為220 mm×135 mm×0.8 mm。為保證兩天線之間的隔離度盡量低，收發(fā)自組網(wǎng)天線由位于基板正面兩側(cè)邊緣的彎折的印刷單極子實(shí)現(xiàn)，通過兩根金屬線連接到金屬轉(zhuǎn)軸上，轉(zhuǎn)軸通過一側(cè)的金屬線連接到轉(zhuǎn)接腔的內(nèi)部導(dǎo)電區(qū)域。單極子的饋電部分包括一個(gè)串聯(lián)的8.2 nH 電感以及一個(gè)并聯(lián)2.2 pF 的電容，可以用來進(jìn)一步提升自組網(wǎng)天線的端口阻抗匹配。

由文獻(xiàn)[7]可知，線極化天線可以被用于郊區(qū)作業(yè)手持終端設(shè)備中更好地實(shí)現(xiàn)衛(wèi)星導(dǎo)航和通信的功能，因此，本設(shè)計(jì)中采用位于基板垂直對稱線上的水平極化印刷偶極子實(shí)現(xiàn)衛(wèi)星天線。 其中，衛(wèi)星通信天線位于衛(wèi)星導(dǎo)航天線的上方，兩個(gè)引向器在調(diào)節(jié)偶極子阻抗匹配的同時(shí)有助于增強(qiáng)其上半空間的輻射。導(dǎo)航天線由一個(gè)加激勵(lì)的蝶形偶極子和兩個(gè)寄生金屬條組成，寄生金屬條也可以起到阻抗匹配和方向圖調(diào)節(jié)的作用。而偶極子本身也可以作為衛(wèi)星通信天線的反射器起到反射作用。

考慮實(shí)際使用情況，仿真模型中加入了介電常數(shù)為2.9 的天線罩。 由于主板地板的尺寸與自組網(wǎng)天線工作頻段的波長可以比擬，會(huì)影響單極子的阻抗匹配，因此，實(shí)際仿真中需加入主板地板進(jìn)行整體優(yōu)化。

圖1 平面化四天線系統(tǒng)仿真結(jié)構(gòu)示意圖

3 仿真和實(shí)測結(jié)果

對以上提出的平面四天線系統(tǒng)進(jìn)行了加工及測試，圖2 給出了天線的實(shí)物照片。

圖3 和圖4 給出了各天線的駐波測試與仿真結(jié)果的對比，對比結(jié)果顯示，兩者較為吻合。

圖2 平面化四天線系統(tǒng)的加工實(shí)物圖

圖3 左側(cè)自組網(wǎng)天線的駐波仿真及測試結(jié)果對比圖

圖4 衛(wèi)星導(dǎo)航和通信天線的駐波仿真與測試對比圖

測試結(jié)果表明，自組網(wǎng)天線可以覆蓋360～725 MHz，帶內(nèi)隔離度為10 dB 以上。 衛(wèi)星導(dǎo)航天線可以覆蓋1.11～1.65 GHz，可以覆蓋四大導(dǎo)航系統(tǒng)的大部分工作頻段。 衛(wèi)星通信天線的工作頻帶為1.95～2.25 GHz，可以覆蓋S 波段衛(wèi)星通信的上下行頻段。

天線的遠(yuǎn)場測試結(jié)果顯示，自組網(wǎng)天線方向圖略有傾斜， 但水平方向的平均增益在大部分帶內(nèi)大于0 dB(見表1)。衛(wèi)星導(dǎo)航和通信天線均為上半空間輻射，如圖5 所示。

表1 自組網(wǎng)天線水平方向平均增益的仿真和實(shí)測結(jié)果

圖5 衛(wèi)星導(dǎo)航及通信頻段代表頻點(diǎn)方向圖

4 結(jié)論

傳統(tǒng)手持式終端設(shè)備的天線設(shè)計(jì)中，自組網(wǎng)、衛(wèi)星導(dǎo)航及衛(wèi)星通信天線大部分是呈柱狀且獨(dú)立封裝，一定程度上限制了設(shè)備的集成度的提高及重量的減輕。本文提出將天線平面化設(shè)計(jì)并將其集成到設(shè)備的保護(hù)蓋板中，實(shí)驗(yàn)結(jié)果表明，該平面化四天線系統(tǒng)可以完全覆蓋自組網(wǎng)、衛(wèi)星導(dǎo)航及通信頻段，并在對應(yīng)頻段實(shí)現(xiàn)需要的輻射性能。未來需要進(jìn)一步解決的是自組網(wǎng)收發(fā)天線之間隔離度的提高。