新型C波段寬帶小型化全向天線

1 引言

微波全向天線較多應用于一點多址通信中，廣泛地應用于軍事、航天、遙控、遙測領域。在較低頻段中，微波全向天線主要有螺旋天線、交叉饋電式天線、波導縫隙天線；而隨著現(xiàn)代通信技術的發(fā)展，通信頻率向更高的波段發(fā)展已是必然趨勢，在C波段或更高的頻段，波長很短，以上提到的天線由于結構復雜，導致加工費用高，調(diào)試困難，并且饋電結構也難于設計，使得天線的帶寬較窄；同時這些類型的天線高度均超過半波長或者四分之一波長，天線高度太大導致其占用的體積空間較大，并且天線RCS（雷達散射截面）也較大，對各類載體平臺的電磁隱身特性也帶來較大影響。

考慮到上述情況，有必要為實際通信平臺開發(fā)一種全向天線，即新型C波段寬帶小型化全向天線，它能夠提供比現(xiàn)有天線更理想的電磁特性，本文將詳細討論該天線的性能及主要結構參數(shù)對天線性能的影響，并對天線的阻抗及輻射特性進行分析。

2 天線基本結構及輻射原理

新型C波段寬帶小型化全向天線共形全向天線示意如圖1、圖2所示，圖1為天線本身的外形結構，圖2為天線剖面圖。從圖中可以看出，該天線是由金屬圓盤、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成。

圖1 天線示意圖

圖2 天線剖面圖

金屬圓盤半徑r₁、厚度h₁，金屬單極子半徑r₂、高度h₂，它們加工為一個整體；金屬單極子中部有螺紋孔；聚四氟乙烯介質(zhì)墊片為一個類似“瓶蓋”的腔體結構，半徑r₃、厚度h₃，中間有通孔使得同軸內(nèi)芯通過，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體通過；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，從而使得整個天線成為一個整體。

在本設計中，天線金屬圓盤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。當發(fā)射信號時，同軸連接器通過連接的同軸電纜輸入外接發(fā)射機的發(fā)射信號，同軸接頭輸出的能量激起金屬圓盤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，這使得天線頂端的電流不為零，有效的實現(xiàn)了天線的小型化；由于介質(zhì)墊片為腔體結構，分隔開天線的輻射結構與金屬地板，使得同軸電纜能夠有效的激勵天線電流；金屬圓盤、金屬單極子及介質(zhì)墊片在結構上均成中心軸對稱分布，可以使得天線在水平面360度范圍內(nèi)輻射場均勻分布。

3 主要結構參數(shù)對于天線阻抗特性的影響

反射損耗是天線的一個重要性能參數(shù)，它決定了天線的阻抗特性。在設計過程中發(fā)現(xiàn)，影響該天線反射損耗性能的主要結構參數(shù)為金屬圓盤半徑r₁、厚度h₁，金屬單極子半徑r₂、高度h₂。通過多組建模仿真，可以得到各個參數(shù)對于天線反射損耗的影響規(guī)律，以便于實際天線的設計實現(xiàn)。

3.1 金屬圓盤半徑r₁對反射損耗的影響

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

圖3 反射損耗與r₁的關系