一種倒F振子在共形陣列天線中的應用

蔣永輝 謝擁軍 徐挺威

摘 要:提出一種新型的倒F振子天線結構。通過使用圓形金屬片電容加載以及短路釘的電感加載,得到寬帶小型化天線單元。采用廣義傳輸線理論(GTLM)分析了天線的結構形式,給出設計實例,并介紹了該天線單元在飛行載體上柱面共形陣列天線中的應用。在以往柱面共形陣列天線的研究中,陣列波束大部分為垂直于共形面方向的能量輻射,而這里提出的柱面共形陣列天線設計方案著重于可產生平行于共形面的能量輻射。

關鍵詞:倒F天線;加載;共形陣列天線;GTLM

中圖分類號:TN82 文獻標識碼:A

文章編號:1004-373X(2009)21-060-03

Application of New Type Inverted-F Antenna in Conformal Antenna Array

JIANG Yonghui,XIE Yongjun,XU Tingwei

(National Laboratory of Antennas and Microwave Technology,Xidian University,Xi′an,710071,China)

Abstract:A new type of inverted-F antenna is introduced.The requirement of small sizee and wide frequency bandwidth are abtained by loading the capacitance elements of circular metallic pans and the inductance elements of shorting stub.Structure of the antenna using GTLM is analysed.An example is presented which is used in the conformal array antenna on the airplane.In the past research of cylinder conformal array,most of the array beam radiate in the direction of perpendicular to conformal surface,the new scheme of cylinder conformal array can achieve radiate energy parallel to the surface.

Keywords:inverted-F antenna;load;conformal array antenna;GTLM

0 引 言

隨著現代無線通訊技術的發展,天線的小型化及寬頻帶等特性是主要的發展趨勢。以飛行載體作為安裝平臺的天線對以上兩種特性具有更為嚴格的要求,這是因為運載平臺受運動力學、電磁兼容等因素的影響,不可能為天線提供較為充足的安裝空間;無線通訊中,信道容量不斷擴充,必然要求天線的工作頻帶隨之展寬。

倒F天線(IFA)是一種低輪廓、結構簡單的天線[1],其輻射電場含有強度較大的垂直極化分量,而垂直極化也是目前無線通訊中的主要極化方式,所以倒F天線有廣泛的應用領域。在已有研究倒F天線的文獻中,為了提高天線的工作帶寬,在天線方向圖特性基本不變的前提下,采用的方法形式多樣:利用三個寄生的倒L單元拓展帶寬[2];使用彎曲的短路線路徑獲得寬頻帶[3];通過提高平板高度以及調節饋電點位置提高帶寬[4]。這些方法均對展寬工作頻帶有一定作用,不足之處是增大了天線體積及實現難度,不利于天線的小型化和工程化。

本文論述了一種應用于柱面共形陣列天線的平面倒F天線單元。該單元屬于一種變形倒F天線,采用圓形金屬薄片式的電容加載,以及短路釘的電感加載,具有較小的體積以及較寬的工作頻帶。本文應用廣義傳輸線理論,定性地分析了該天線結構,介紹了天線單元在柱面共形陣列天線中的應用,并給出了單元和陣列天線的仿真結果。

1 天線結構與等效電路分析

1.1 天線形式

倒F天線可以看作倒L天線的變形結構,本設計采用的倒F天線單元結構及具體尺寸如圖1和表1所示。

單元主體結構由以下幾部分組成:單元介質支撐、饋電支桿、短路支桿、功分網絡介質層(與饋電微帶線共用)、饋電微帶線,具體結構如圖1所示。單極子單元的加載電容由單元介質支撐上表面的圓形金屬鍍層實現,可使用銅鍍層加鍍錫鍍層,此結構可實現加載電容功能,也可便于加工過程中的焊接工作,支撐介質采用接近空氣介電常數的泡沫材料加工。短路支桿的作用是為了給單極子加載并聯電感,使其與加載電容構成LC諧振電路,短路支桿接地于功分網絡接地金屬鍍層,即與功分網絡共地。短路支桿為金屬圓柱,一端與單元介質支撐金屬鍍層焊接,一端與功分網絡接地金屬鍍層焊接,整個短路支桿鑲嵌于單元介質支撐中。饋電支桿同樣為金屬圓柱,貫穿于單元介質支撐和功分網絡介質層,一端與單元介質支撐金屬鍍層焊接,一端與饋電微帶線端口焊接。

表1 天線單元具體尺寸 mm

標示D1D2D3D4H1H2H3

尺寸45.635.8641121

圖1 倒F振子單元

1.2 倒F陣子的等效分析

已有文獻對于倒F振子的分析主要有矩量法的數值分析如FDTD,MoM,以及其等效分析方法如傳輸線模型分析方法和腔模法模型分析方法[5],本文簡要介紹傳輸線模型分析方法。該天線輻射邊縫的輻射導納為Ys=Gs+jBC,短路支桿的等效電感為jBL,其等效傳輸線模型如圖2所示。

圖2 倒F振子單元等效電路圖

根據等效模型電路圖,設饋電點向短路支桿看去的輸入導納為Y1,向輻射邊縫一方看去的輸入導納為Y2,饋電處的總輸入導納為Yin,可得:

Y1=Y0(jBL)+jY0tg(βL1)Y0+j(jBL)tg(βL1)

(1)

Y2=Y0(Gs+jBC)+jY0tg(βL2)Y0+j(Gs+jBC)tg(βL2)

(2)

Yin=Y1+Y2

(3)

2 天線單元設計仿真結果及分析

以圖1的結構參數為基礎,利用有限元電磁仿真軟件Ansoft HFSS可以得到該天線單元的各項電氣性能,如圖3所示。

如圖3中曲線所示,在1 GHz中心頻點處回波損耗小于-10 dB的帶寬大約為13%,相比于矩形貼片倒F振子的最大5%帶寬[6],有較大的擴展。另外,在體積上,諧振頻率在1 GHz左右的矩形貼片倒F振子大小大約為:65 mm×95 mm,而本天線單元半徑為22.8 mm,滿足天線小型化的要求。

圖3 天線單元回波損耗隨頻率變化曲線

在共形陣列中,不僅僅需要垂直于共形面方向的能量輻射,某些情況還需要平行于共形面的能量輻射。在圖4所示天線坐標系下f=1 GHz,θ=0°的切面,可以得出垂直極化輻射方向圖,如圖5所示。

圖4 天線單元坐標示意圖

圖5 天線單元垂直極化方向圖

3 倒F振子在柱面共形陣列天線中的應用

由于該倒F振子具有剖面低,體積小,易于饋電等優點,可以組合成與載體平臺共形的陣列天線。以下介紹該振子在某柱面平臺上構成的共形陣列天線。該柱面為Φ=360 mm的金屬圓柱體的外表面,陣列單元內嵌于柱面凹槽內,凹槽深度為15 mm,陣列有兩列端射線陣組成,每列線陣由兩個倒F振子單元組成。單元饋電采用威爾金森功率分配器連接饋電微帶的形式,功率分配器采用陶瓷片加工,根據單元的結構位置和波束要求進行布局設計。功分網絡的底板也是陣列的地板,且為了便于饋電支桿的連接,底板上打有通孔,以使饋電支桿穿過。上述結構極大地縮小了體積并可形成和差兩種波束。該陣列天線簡圖如圖6,圖7所示。

圖6 陣列天線外形簡圖

圖7 振子單元及功率分配器透視圖

該柱面共形陣列天線的水平面(平行于陣面的切面)垂直極化輻射方向圖以及功率分配器端口的回波損耗仿真結果如圖8,圖9所示。

由圖8所示可知,陣列和方向圖方向性系數為5.1 dBi,波束寬度為68°,差波束零深在-30 dBi以下;在74°的波束覆蓋范圍內,和波束電平大于差波束電平。該天線波束性能在對接天線領域有較大應用,可以較大地提高天線波束搜索范圍。

圖8 陣列天線和差波束方向圖

圖9 功率分配器端口回波損耗隨頻率變化曲線

圖9是功率分配器端口回波損耗頻率響應曲線(因陣列中兩個線陣結構完全對稱。圖中只顯示一條曲線)。由曲線可知,由于功率分配器的阻抗匹配作用,回波損耗在400 MHz的帶寬內小于-10 dB,遠遠優于單元的回波損耗特性;由于陣列單元互偶作用以及環境影響改變了輸入阻抗隨頻率的變化規律,曲線的不規則性比較明顯。

4 結 語

本文介紹了一種新型倒F振子天線單元,考察了其電性能指標,并論述了該振子單元在柱面共形陣列天線中的應用。該天線單元具有小型化以及寬頻帶特性,其組成的柱面共形陣列天線也具備良好的電性能,具有廣泛的工程應用前景。

參考文獻

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作者簡介 蔣永輝 男,1979年出生,碩士研究生。主要從事電磁散射,微波電路設計等方面的研究。

謝擁軍 男,1968年出生,教授,博士生導師。主要研究方向為計算微波與計算電磁學,微波通信,電磁兼容及電波傳播特性等。

徐挺威 男,1984年出生,碩士研究生。主要從事天線工程,微波電路設計等方面的研究。