一種多頻段共口徑寬帶天線的設(shè)計(jì)

傅強(qiáng)之

摘要：本文設(shè)計(jì)了一種多頻段共口徑寬帶天線，并對(duì)其進(jìn)行了分析。利用多邊形貼片天線和寬頻帶匹配技術(shù)相結(jié)合的方式實(shí)現(xiàn)四倍頻的超寬帶天線，同時(shí)將另外一個(gè)頻段的獨(dú)立天線集成到其內(nèi)部，實(shí)現(xiàn)共口徑應(yīng)用。同時(shí)通過在內(nèi)部天線周圍增加金屬條寄生單元來改善外部天線對(duì)其方向圖的影響。結(jié)果表明天線在電壓駐波比小于3.5時(shí)，外部天線的帶寬達(dá)到了4倍頻，同時(shí)具有良好的增益。內(nèi)部天線在電壓駐波比小于2時(shí)，帶寬達(dá)到了2倍頻，同時(shí)具有良好的增益和不圓度。

關(guān)鍵詞：寬帶;多頻段;共口徑

中圖分類號(hào)：TN927.2 文獻(xiàn)標(biāo)識(shí)碼：A 文章編號(hào)：1007-9416（2020）03-0157-03

0 引言

隨著無線電技術(shù)的飛速發(fā)展，機(jī)載航電系統(tǒng)越來越發(fā)達(dá)，所要完成的功能也越來越多。對(duì)于和其配套的天線的種類和性能也提出了更多的要求，比如帶寬越來越寬、增益越來越高、體積越來越小，同時(shí)重量也越來越輕，其中垂直極化全向天線就是機(jī)載平臺(tái)比較常用的天線形式。

垂直極化全向天線，由于其方向圖的全向性，非常適應(yīng)于飛機(jī)的話音和數(shù)據(jù)的實(shí)時(shí)通信要求，所以被廣泛應(yīng)用于各個(gè)飛機(jī)平臺(tái)。但是垂直天線對(duì)安裝平面具有很高的要求，比如天線之間要有一定的安裝距離來減少對(duì)方向圖的影響，這和飛機(jī)上的有限的空間是矛盾的。這就需要研究一種共口徑[1]復(fù)合天線，實(shí)現(xiàn)多個(gè)天線共用一個(gè)輻射口徑，占用一個(gè)安裝面，為飛機(jī)節(jié)省更多的空間資源。

單極子刀型天線[2-6]由于具有結(jié)構(gòu)緊湊強(qiáng)度高、空氣氣動(dòng)性好、環(huán)境適應(yīng)強(qiáng)等特點(diǎn)，已經(jīng)被廣泛應(yīng)用于各個(gè)機(jī)載平臺(tái)來實(shí)現(xiàn)垂直極化全向天線，而其中把VUH＼UHF＼L頻段復(fù)合在一個(gè)刀型天線里實(shí)現(xiàn)共口徑復(fù)用一直是飛機(jī)話音和數(shù)傳通信系統(tǒng)天線努力的目標(biāo)。目前有兩種方式實(shí)現(xiàn)這種共口徑，一種是將L頻段放在天線的頂端，但是這種方法實(shí)現(xiàn)的L頻段天線，由于距離地有一定距離，會(huì)產(chǎn)生多徑效應(yīng)，使天線高仰角的方向圖產(chǎn)生零深，不利于飛機(jī)翻滾飛行時(shí)的通信。還有另外一種是將天線放在天線的中部，利用縫隙輻射，雖然這種解決了L波段輻射的多徑效應(yīng)，但是L波段帶寬比較窄，而且L波段方向圖不圓度也不好。本文設(shè)計(jì)的天線，即解決了L頻段多徑效應(yīng)，而且具有帶寬寬、不圓度好，同時(shí)利用寬頻帶匹配技術(shù)[7]，使另外一個(gè)頻段的天線也具有良好的性能，實(shí)現(xiàn)了兩個(gè)天線的寬帶和共口徑。

1 天線結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)

本文重點(diǎn)研究了一種多頻段共口徑寬帶天線，使VHF/UHF/L同時(shí)集成到一個(gè)輻射體中，具體結(jié)構(gòu)見圖1。

由圖1可看出，整個(gè)天線為刀型，被放置在厚度為2mm，介電常數(shù)為4.4的介質(zhì)板上。VUF/UHF頻段采取在輻射體表面開槽開縫來延長天線表面的電流分布，同時(shí)在天線輸入口引入LC匹配網(wǎng)絡(luò)對(duì)天線的輸入阻抗進(jìn)行變換的方法以得到良好的電性能。L頻段天線被放置于整個(gè)空間的下端，并被VUH/UHF天線的金屬平面包圍，這造成L頻段天線水平面方向圖不圓度不好。在設(shè)計(jì)過程中通過合理調(diào)節(jié)L天線的架設(shè)高度、同時(shí)在天線內(nèi)設(shè)立兩對(duì)寄生單元使得L頻段天線的不圓度得到改善。

VUH/UHF天線設(shè)計(jì)的難點(diǎn)主要是寬頻帶阻抗匹配。傳統(tǒng)的方法是天線采用多邊形折疊振子，同時(shí)在振子的末端增加吸收負(fù)載，從而實(shí)現(xiàn)天線的寬頻帶阻抗。但是此方法會(huì)使天線低頻段增益比較低。本文采用低損耗LC寬頻帶匹配網(wǎng)絡(luò)技術(shù)，在保證天線帶寬的情況下，大幅度的提高了天線的增益。

圖2是天線前端的寬頻帶匹配網(wǎng)絡(luò)圖，圖3是有無匹配網(wǎng)絡(luò)天線駐波曲線圖，圖4是傳統(tǒng)匹配方法和LC匹配方法低頻段增益曲線圖。

由圖3和圖4可以得出，新型匹配方法的引入既可以實(shí)現(xiàn)天線的寬頻帶工作，又能更好的提升天線的增益。

圖5是L頻段有無寄生單元的駐波比曲線圖，圖6是L頻段段有無寄生單元的中心頻點(diǎn)的增益曲線圖。

由圖5和圖6可以得出，寄生單元對(duì)的引入，使天線的方向圖不圓度得到了很好的改善，駐波比帶寬變化不大，很好的解決了VHF/UHF頻段天線對(duì)L頻段包圍的造成L頻段天線不圓度大的影響，實(shí)現(xiàn)了兩天線的共口徑應(yīng)用。

2 實(shí)測結(jié)果

本文設(shè)計(jì)的多頻段共口徑寬帶天線的實(shí)物如圖7所示，圖8是天線實(shí)測VHF/UHF頻段駐波比曲線和最低頻點(diǎn)增益曲線圖，圖9是天線實(shí)測L頻段駐波比曲線和中心頻點(diǎn)增益曲線圖。

由圖8與圖3和圖4對(duì)比可得，天線在加工成實(shí)物后駐波比帶寬變好，可能由于罩體損耗的影響，整個(gè)4倍頻范圍內(nèi)帶寬駐波比小于3.5，增益良好，最低頻點(diǎn)增益大于-5dBi。由圖9與圖5和圖6對(duì)比可得，天線在加工成實(shí)物后駐波比帶寬，除了中間頻段變差一點(diǎn)點(diǎn)外，其他頻點(diǎn)幾乎沒有變化，不圓度良好并變化不大，為2.5dB，最終所有指標(biāo)達(dá)到設(shè)計(jì)要求。

3 結(jié)語

隨著機(jī)載天線的種類越來越多，而飛機(jī)的安裝空間是有限的，迫切需要將多個(gè)天線進(jìn)行復(fù)合處理。本文提出了一種多頻段共口徑寬帶天線，采用寬帶和共口徑的兩種方法結(jié)合的手段來提高天線的綜合實(shí)力。本文采用LC匹配網(wǎng)絡(luò)技術(shù)實(shí)現(xiàn)了VHF和UHF頻段的寬頻帶駐波比，同時(shí)保持其擁有良好的增益。為了改善被VHF/UHF天線包圍的L頻段天線的不圓度，引入一對(duì)寄生單元結(jié)構(gòu)，效果明顯。天線最終被做成了實(shí)物，經(jīng)過測試效果良好，具有良好的應(yīng)用前景。

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Abstract：In this paper， a multi-band common aperture broadband antenna is designed and analyzed. Utilizing a combination of polygonal patch antennas and broadband matching technology to achieve a quadruple-frequency UWB antenna. At the same time， the independent antenna of the other frequency band is integrated into it to realize the common aperture application. The influence of the external antenna on its pattern is improved by adding a metal strip parasitic unit around the internal antenna. The results show that when the VSWR of the antenna is less than 3.5， the bandwidth of the external antenna reaches 4 times the frequency and a good gain. When the VSWR of the internal antenna is less than 2， the bandwidth reaches 2 times the frequency， and a good gain and roundness.

Key words：broadband; multi-band; common aperture