1 引言

微波全向天線較多應(yīng)用于一點(diǎn)多址通信中，廣泛地應(yīng)用于軍事、航天、遙控、遙測領(lǐng)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(dǎo)縫隙天線；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，在C波段或更高的頻段，波長很短，以上提到的天線由于結(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)，使得天線的帶寬較窄；同時(shí)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(dǎo)致其占用的體積空間較大，并且天線RCS（雷達(dá)散射截面）也較大，對(duì)各類載體平臺(tái)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(shí)際通信平臺(tái)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(xì)討論該天線的性能及主要結(jié)構(gòu)參數(shù)對(duì)天線性能的影響，并對(duì)天線的阻抗及輻射特性進(jìn)行分析。

2? 天線基本結(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(jié)構(gòu)，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(gòu)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(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，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；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(gè)天線成為一個(gè)整體。

在本設(shè)計(jì)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(dāng)發(fā)射信號(hào)時(shí)，同軸連接器通過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(shí)現(xiàn)了天線的小型化；由于介質(zhì)墊片為腔體結(jié)構(gòu)，分隔開天線的輻射結(jié)構(gòu)與金屬地板，使得同軸電纜能夠有效的激勵(lì)天線電流；金屬圓盤、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(jié)構(gòu)參數(shù)對(duì)于天線阻抗特性的影響

反射損耗是天線的一個(gè)重要性能參數(shù)，它決定了天線的阻抗特性。在設(shè)計(jì)過程中發(fā)現(xiàn)，影響該天線反射損耗性能的主要結(jié)構(gòu)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(gè)參數(shù)對(duì)于天線反射損耗的影響規(guī)律，以便于實(shí)際天線的設(shè)計(jì)實(shí)現(xiàn)。

3.1? 金屬圓盤半徑r₁對(duì)反射損耗的影響

作為最主要的輻射結(jié)構(gòu)，金屬圓盤的尺寸在很大程度上決定了天線的諧振頻率，圖3是針對(duì)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(guān)系 3.2? 金屬圓盤厚度h₁對(duì)反射損耗的影響

圖4是針對(duì)不同的金屬圓盤厚度h₁反射損耗隨頻率的變化曲線。從圖中可以看出，金屬圓盤的厚度同樣會(huì)影響天線的諧振頻率，隨著厚度的增大，天線的諧振頻率逐漸向低頻端偏移，與金屬圓盤半徑類似，該尺寸的大小與天線頻率高低呈現(xiàn)出相反的變化規(guī)律。

圖4 ?反射損耗與h₁的關(guān)系

3.3? 金屬單極子半徑r₂對(duì)反射損耗的影響

金屬單極子不僅是該天線的輻射結(jié)構(gòu)，同時(shí)它還作為過渡部件連接金屬圓盤及饋入電流的同軸連接器。圖5是針對(duì)不同的金屬單極子半徑r₂反射損耗隨頻率的變化曲線。從圖中可以看出，該半徑不僅影響諧振點(diǎn)位置，還在很大程度上影響反射損耗的大小，如果該半徑過大，則反射損耗很大，即C波段在同軸接頭饋入天線的能量大部分都被反射，使得天線無法正常工作；從安裝角度考慮，若該半徑過小，則輻射結(jié)構(gòu)沒有辦法與同軸連接器的螺紋內(nèi)芯連接，所以在天線尺寸的設(shè)計(jì)上要綜合考慮天線性能及安裝結(jié)構(gòu)。

圖5 ?反射損耗與r₂的關(guān)系

3.4? 金屬單極子高度h₂對(duì)反射損耗的影響

圖6是針對(duì)不同的金屬單極子高度h₂反射損耗隨頻率的變化曲線。從圖中可以看出，金屬單極子的高度會(huì)在很大程度上影響天線的諧振頻率，隨著高度的增大，天線的諧振頻率逐漸向低頻端偏移，與普通單極子尺寸與頻率的對(duì)應(yīng)關(guān)系一致。

圖6 ?反射損耗與h₂的關(guān)系

4? 天線性能分析

在上述分析的基礎(chǔ)上，應(yīng)用仿真軟件HFSS對(duì)天線參數(shù)進(jìn)行了逐一的調(diào)整，最后得出了性能最優(yōu)結(jié)構(gòu)參數(shù)，最終天線地板以上的總體高度h₁+h₂+h₃僅為最低工作頻率f_L所對(duì)應(yīng)波長的八分之一左右，現(xiàn)對(duì)其性能進(jìn)行如下分析。

4.1? 天線的阻抗特性

前面已經(jīng)提到過，天線的反射損耗是一個(gè)重要性能參數(shù)，它反映了天線的阻抗特性。圖7給出了該C波段寬帶小型化全向天線反射損耗的結(jié)果。在f_L?~?f_H的頻率范圍內(nèi)，天線反射損耗的仿真結(jié)果均小于-10dB，這種全向天線阻抗特性良好，它具有45%左右的阻抗帶寬。

圖7 ?天線的反射損耗

4.2? 天線的輻射特性

對(duì)于全向天線，增益特性是衡量其性能好壞的重要指標(biāo)，圖8是該天線的增益隨頻率的變化關(guān)系（f_L?~?f_H）。頻率在f_L?~?f_H范圍內(nèi)，增益變化范圍是3.5~6dB，變化幅度小于2.5dB，增益在頻帶內(nèi)較為穩(wěn)定；天線的方向圖是表征天線輻射特性與空間角度關(guān)系的圖形，圖9表示該天線在頻率分別為f_L、(f_L+f_H)/2、f_H時(shí)水平面方向圖的結(jié)果。在各個(gè)頻率上，該天線水平面近似全向輻射，不圓度小于2dB，方向圖穩(wěn)定性較好。

圖8 ?天線的增益

圖9 ?天線的方向圖 天線的拓展應(yīng)用

本文設(shè)計(jì)的天線結(jié)構(gòu)可采用方形金屬地板，且尺寸可根據(jù)應(yīng)用需求適當(dāng)調(diào)整；同時(shí)，也可根據(jù)實(shí)際需求在一定尺寸范圍內(nèi)采用圓形地板或者異形地板，參見圖10，地板形狀改變，基本不會(huì)影響天線性能。此外，本天線應(yīng)用場合靈活，它可單獨(dú)作天線用，也可用作反射面天線的饋源或者陣列的單元，尤其適用于作八木天線的有源振子，參見圖11，該天線本身前后適當(dāng)位置加入引向金屬棍和反射金屬棍即可以有效縮小八木天線的總體高度。

圖10 ?地板為圓形時(shí)的天線結(jié)構(gòu)

圖11 ?天線作為八木天線有源振子的結(jié)構(gòu)

6? 結(jié)論

本文所論述天線與現(xiàn)有技術(shù)相對(duì)照，其效果是積極和明顯的。天線的工作頻段為C波段，本身高度僅為最低工作頻率所對(duì)應(yīng)波長的1/8左右；天線相對(duì)帶寬約為45%，在頻段內(nèi)可以良好的與50Ω同軸電纜匹配；天線在水平面360度的范圍內(nèi)輻射場均勻全向分布，不圓度小于2dB；此外，本天線結(jié)構(gòu)靈活，除了可采用方形地板，還可在一定尺寸范圍內(nèi)采用圓形或者異形地板，并且天線可以作為八木天線的有源振子使用，有效縮小八木天線的總體尺寸。