新型C波段寬帶小型化全向天線(xiàn)

1 引言

微波全向天線(xiàn)較多應(yīng)用于一點(diǎn)多址通信中，廣泛地應(yīng)用于軍事、航天、遙控、遙測(cè)領(lǐng)域。在較低頻段中，微波全向天線(xiàn)主要有螺旋天線(xiàn)、交叉饋電式天線(xiàn)、波導(dǎo)縫隙天線(xiàn)；而隨著現(xiàn)代通信技術(shù)的發(fā)展，通信頻率向更高的波段發(fā)展已是必然趨勢(shì)，在C波段或更高的頻段，波長(zhǎng)很短，以上提到的天線(xiàn)由于結(jié)構(gòu)復(fù)雜，導(dǎo)致加工費(fèi)用高，調(diào)試?yán)щy，并且饋電結(jié)構(gòu)也難于設(shè)計(jì)，使得天線(xiàn)的帶寬較窄；同時(shí)這些類(lèi)型的天線(xiàn)高度均超過(guò)半波長(zhǎng)或者四分之一波長(zhǎng)，天線(xiàn)高度太大導(dǎo)致其占用的體積空間較大，并且天線(xiàn)RCS（雷達(dá)散射截面）也較大，對(duì)各類(lèi)載體平臺(tái)的電磁隱身特性也帶來(lái)較大影響。

考慮到上述情況，有必要為實(shí)際通信平臺(tái)開(kāi)發(fā)一種全向天線(xiàn)，即新型C波段寬帶小型化全向天線(xiàn)，它能夠提供比現(xiàn)有天線(xiàn)更理想的電磁特性，本文將詳細(xì)討論該天線(xiàn)的性能及主要結(jié)構(gòu)參數(shù)對(duì)天線(xiàn)性能的影響，并對(duì)天線(xiàn)的阻抗及輻射特性進(jìn)行分析。

2 天線(xiàn)基本結(jié)構(gòu)及輻射原理

新型C波段寬帶小型化全向天線(xiàn)共形全向天線(xiàn)示意如圖1、圖2所示，圖1為天線(xiàn)本身的外形結(jié)構(gòu)，圖2為天線(xiàn)剖面圖。從圖中可以看出，該天線(xiàn)是由金屬圓盤(pán)、金屬單極子、介質(zhì)墊片、方形金屬地板以及同軸饋電連接器共同構(gòu)成。

圖1 天線(xiàn)示意圖

圖2 天線(xiàn)剖面圖

金屬圓盤(pán)半徑r₁、厚度h₁，金屬單極子半徑r₂、高度h₂，它們加工為一個(gè)整體；金屬單極子中部有螺紋孔；聚四氟乙烯介質(zhì)墊片為一個(gè)類(lèi)似“瓶蓋”的腔體結(jié)構(gòu)，半徑r₃、厚度h₃，中間有通孔使得同軸內(nèi)芯通過(guò)，其下部腔體尺寸可使得同軸連接器剛好深入其內(nèi)部；方形金屬地板中間有通孔使得連接器外導(dǎo)體通過(guò)；同軸連接器為市售產(chǎn)品，選用的是N型同軸連接器N-50KF-C，其特殊之處在于伸出的內(nèi)芯有螺紋，它可以直接穿過(guò)介質(zhì)墊片上的通孔與金屬單極子中部的螺紋孔旋擰在一起，從而使得整個(gè)天線(xiàn)成為一個(gè)整體。

在本設(shè)計(jì)中，天線(xiàn)金屬圓盤(pán)及金屬單極子是起輻射作用的最主要部件，用于向空間輻射電磁波。當(dāng)發(fā)射信號(hào)時(shí)，同軸連接器通過(guò)連接的同軸電纜輸入外接發(fā)射機(jī)的發(fā)射信號(hào)，同軸接頭輸出的能量激起金屬圓盤(pán)及金屬單極子上的表面電流，從而產(chǎn)生輻射；由于所采用的金屬單極子直徑較大，使得天線(xiàn)可以發(fā)射較寬帶寬范圍內(nèi)的垂直極化電磁波；由于金屬單極子頂端接入了金屬圓盤(pán)，這使得天線(xiàn)頂端的電流不為零，有效的實(shí)現(xiàn)了天線(xiàn)的小型化；由于介質(zhì)墊片為腔體結(jié)構(gòu)，分隔開(kāi)天線(xiàn)的輻射結(jié)構(gòu)與金屬地板，使得同軸電纜能夠有效的激勵(lì)天線(xiàn)電流；金屬圓盤(pán)、金屬單極子及介質(zhì)墊片在結(jié)構(gòu)上均成中心軸對(duì)稱(chēng)分布，可以使得天線(xiàn)在水平面360度范圍內(nèi)輻射場(chǎng)均勻分布。

3 主要結(jié)構(gòu)參數(shù)對(duì)于天線(xiàn)阻抗特性的影響

反射損耗是天線(xiàn)的一個(gè)重要性能參數(shù)，它決定了天線(xiàn)的阻抗特性。在設(shè)計(jì)過(guò)程中發(fā)現(xiàn)，影響該天線(xiàn)反射損耗性能的主要結(jié)構(gòu)參數(shù)為金屬圓盤(pán)半徑r₁、厚度h₁，金屬單極子半徑r₂、高度h₂。通過(guò)多組建模仿真，可以得到各個(gè)參數(shù)對(duì)于天線(xiàn)反射損耗的影響規(guī)律，以便于實(shí)際天線(xiàn)的設(shè)計(jì)實(shí)現(xiàn)。

3.1 金屬圓盤(pán)半徑r₁對(duì)反射損耗的影響

作為最主要的輻射結(jié)構(gòu)，金屬圓盤(pán)的尺寸在很大程度上決定了天線(xiàn)的諧振頻率，圖3是針對(duì)不同的金屬圓盤(pán)半徑r₁反射損耗隨頻率的變化曲線(xiàn)。隨著半徑的增大，天線(xiàn)的諧振頻率逐漸向低頻端偏移，與一般的單偶極子天線(xiàn)類(lèi)似，輻射體尺寸與天線(xiàn)頻率呈現(xiàn)出相反的變化規(guī)律。

圖3 反射損耗與r₁的關(guān)系