一种C波段全向天线的设计

摘要 设计了一种C波段全向天线，该天线采用单极天线的变形结构，通过增加短路支柱改善了匹配性能并扩展了频带宽度。天线为平面结构，嵌入式安装，具有结构紧凑、可靠性高、不影响机体气动性能等特点。样机测试结果显示，天线性能满足指标要求，可应用于飞机等空间飞行体。
关键词 C波段天线；嵌入式；短路支柱

天线作为辐射和接收电磁波的部件，是无线通讯系统中的重要组成部分。随着科学技术的发展，空间飞行体速度越来越高，飞行体上的天线也由原来的突出式向共形与隐身方向发展。飞行体上配套的天线不仅要满足系统的电性能，并应具有较高的可靠性，不增加气动阻力，其电性能在受到砂尘、盐雾潮湿、高空大气压降、静电和闪电时性能不会下降，要求天线重量轻、尺寸小、低剖面、具有保形性。文中设计了一种嵌入盘形结构的C波段全向天线，采用有限接地面单极天线的变形结构，通过增加短路支柱改善匹配性能及扩展频带宽度。天线为平面结构，具有结构紧凑，可靠性高，嵌入式安装，不影响机体气动性能等特点。

1 天线分析与设计
设计的C波段全向天线辐射方向图为方位面全向，垂直极化，结构形式为平面结构，电压驻波比≤2，增益≥2 dB。众所周知，单极子天线极化方式为垂直极化，在水平面具有全向方向图，并具有结构简单，重量轻、宽频带、馈电简便等特点，被广泛应用于无线通讯领域。在自由空间，1／4波长的单极天线在垂直平面上的辐射方向图与半波偶极子天线在垂直平面中的方向图形状相似，差别只是在下半空间无辐射。在水平面上垂直单极天线是全向性的。天线的平均阻抗亦为同等臂长的自由空间对称振子的平均阻抗的1／2。
通过分析对于C波段全向天线的设计，采用小单极子天线作为辐射体，以实现垂直极化和水平面全向特性，能满足天线系统的电气性能要求。单极天线是直立于反射面的天线，如图1(a)所示，如何使天线成为平面结构是该天线研制中较突出的问题，为此在单极天线的顶部加载，按图1(a)～图1(d)所示逐步改进其结构。其中图1(a)是典型的1／4波长的单极天线，其方向图随接地面积大小而变化。图1(b)顶端加载的单极天线，通过加载，降低了天线实际高度，使天线顶端对地的分布电容增大，提高了天线上电流波腹点的位置，因而等效为增加了天线的有效高度。图1(c)是进一步降低高度的盘形天线。图1(d)的天线由圆盘以及介于它和接地面之间的环形缝隙组成，接地面被压陷到盘的下方，形成一个浅腔。其辐射方向图与1／4一波长单极天线方向图相似，这里腔体深度h为0．02 λ，圆盘直径d为0．25 λ，腔体直径D为0．3 λ。天线通过同轴传输线在圆盘的圆心馈电，这种天线可以看作大直径低特性阻抗同轴线的开口端，当环的周长等于一个波长时，环天线产生谐振输入阻抗。图1(d)辐射体嵌入接地平面内，可以与机体共形安装。

采用图1(d)的嵌入式盘形天线虽然可以满足垂直极化、全向方向图、平面结构这3个设计要素，但其阻抗匹配性能欠佳，为改善天线的匹配性能，增加频带宽度，在天线的圆盘与地之间增加了2个短路支柱，如图2所示。这样做的好处还体现在使天线处于直流的地电位，在发生雷电冲击波时保护传输线，进而保护系统设备。

依据以上理论分析，设计加工了天线样机，三维图如图3所示。天线体用铜材铣加工，天线腔体成圆筒形，深度4 mm，圆盘由镀银铜片冲剪而成。天线腔体填充介质材料为聚四氟乙烯，介电常数2．2。腔体直径为18 mm，短路支柱为直径1．5 mm的铜材。馈电柱直径为2 mm，采用TNC插头输出。短路支柱、插座芯棒及圆盘采用锡焊固定。