許 鳴 ,王開華,王克選張穎松,3,劉宗全,3

(1.南京模擬技術研究所,南京 210016;2.解放軍理工大學通信工程學院,南京210007;3.東南大學 毫米波國家重點實驗室,南京 210096)

1 引 言

共形天線具有良好的空氣動力學特性,特別適用于高速飛行器等移動載體。為了保證與地面測控天線極化一致或極化損失小,無人機載天線一般采用垂直極化或圓極化方式。無人機的飛行距離高度比值大,決定了機載通信天線的方向圖在水平面上應具有全向性,同時在垂直面具有低仰角增益。為了確保無人機通信持續(xù)不中斷,需要天線的波束寬度能夠覆蓋180°甚至更寬。

微帶天線具有體積小易共形的優(yōu)點,被廣泛應用到共形天線中。文獻[1]設計了無人機載用寬波束圓極化微帶天線,但是沒有低仰角增益,且軸比波束寬度不能達到要求。文獻[2-5]設計了微帶印刷單極子以及偶極子天線,在H面得到了全向的方向圖,但用機載時需要將天線直立安裝。文獻[6]設計了結(jié)構簡單的倒F天線,獲得了滿足要求的方向圖。文獻[7]則設計了一種無人機載用寬頻帶工作的倒錐天線。但這些線極化天線剖面較高,影響了無人機的飛行性能。

為實現(xiàn)共形低剖面要求,將直立平面單極子天線水平放置,即采用倒L天線結(jié)構。為改善因單極天線平置引起的匹配惡化以及實現(xiàn)垂直極化方式,在適當位置加載短路探針。為驗證理論分析的正確性,制作了天線實物,并共形至載體上進行了測量。

2 天線設計與分析

天線設計要求:

(1)共形載體為理想導體圓筒,圓筒半徑為190 mm,長度小于3000 mm;

(2)剖面小于20 mm;

(3)波束寬度大于175°;

(4)增益大于傳統(tǒng)的單極子天線增益;

(5)垂直極化;

(6)回波損耗小于-10 dB。

天線結(jié)構如圖1(a)所示。這里選擇的共形載體為理想導體圓筒,圓筒半徑為190 mm,長度為1000 mm,遠大于天線長度,故示意圖只截取部分地面顯示。饋電探針半徑為1 mm。俯視圖中各尺寸為貼片展開為平面時的尺寸。

圖1 天線結(jié)構及等效電路圖Fig.1 Structure and equivalent circuit diagram of antenna

圖1 (b)中,L為饋電探針引入的串聯(lián)電感,C為金屬片引入的并聯(lián)電容,G為天線的輻射電導,Zin為天線輸入端口看去的輸入阻抗,則

由于天線中梯形金屬片部分距離地面很近(僅為10 mm),使得金屬片與地面間的并聯(lián)電容 C很大。根據(jù)公式(1),當C很大時,Zin的實部很小,虛部變大,使得天線匹配變差。

利用電磁仿真軟件HFSS12.0對天線仿真分析,各尺寸參數(shù)如表1所示。

表1 天線參數(shù)尺寸Table 1 Parameters of the proposed antenna mm

圖2給出的是該天線端口阻抗特性曲線及不同高度H時的回波損耗。從圖中可以看出,當H為10 mm時,天線在0.63GHz處諧振,回波損耗最小值僅為-0.52 dB,對應的輸入電阻和電抗分別為2.3 Ψ和+36.7 Ψ,說明此時天線輸入電阻很小,電抗很大且呈感性。從圖2(a)中可以看出,當高度H增加時,天線匹配得到改善,同時頻率向低頻偏移(這是由饋電探針長度增加引起的)。匹配改善是因為當高度H增加時,并聯(lián)電容C減小,根據(jù)公式(1)可推知輸入阻抗實部增加,虛部減小,匹配變好,但這也使得天線剖面增加,對無人機空氣動力性能產(chǎn)生影響。

圖2 天線端口回波損耗及阻抗特性曲線Fig.2 R eturn loss and impedance characteristic curve of the antenna

為了保持天線剖面高度不變,改善天線端口的匹配,在梯形金屬片軸線上距離饋電點L5處加載金屬探針,使之將金屬片與地短接。這里選擇L5=50 mm,短路探針半徑為1 mm,結(jié)構如圖3(a)所示。圖中天線以短路針基準,偏離z軸30°放置,目的是為了使天線表面電流在 xoz面內(nèi)產(chǎn)生的電場均衡,方向圖更為對稱。圖3(b)為天線的等效電路圖。

圖3 加載短路針后天線結(jié)構及等效電路圖Fig.3 Structure and equivalent circuit diagram of antenna after shorted pin loaded

圖3 (b)中,L1為短路探針引入的串聯(lián)電感,則

從式(2)中可以看出,相對于未加短路針的天線,當 L1取合適的值時,可以使 Zin的實部增大,虛部變小,從而改善端口的匹配。

圖4給出的是加載短路針后阻抗特性曲線。從圖4中可以看出,在天線尺寸保持不變的情況下,天線在819 MHz處電抗為 0,電阻接近50 Ψ,匹配得到改善,其中諧振頻率變大的原因可以從圖5中天線表面電流分布得出。

圖4 仿真阻抗特性Fig.4 Simulated impedance characteristic curve

從圖5中可以看出,天線表面電流分布相對較強的部分為短路探針和短路探針至天線末端一段。饋電探針至短路探針間天線上電流很弱,且有部分流向相反的電流。這樣實際電流路徑長度近似為高度 H和L4～L5之和,即大約為90 mm。同時,由于天線用金屬片代替細導線結(jié)構,使得實際電流路徑大于90 mm,從而使諧振頻率小于830 MHz(對應諧振長度為90 mm),這與圖4中仿真結(jié)果相符。從圖5中還可以看出,短路探針上的電流最強,金屬片上電流相對較弱,因此天線上占主導地位的是垂直流動的電流,從而使天線輻射垂直極化波。

圖5 天線表面電流分布圖Fig.5 Distribution of surface current of antenna

3 測量及仿真結(jié)果分析

為驗證設計方案的正確性,對加載短路針的天線制作了實物,并對各種參數(shù)進行了測量。天線被安裝在無人機殼模型上,機殼材質(zhì)為碳纖維。用矢量網(wǎng)絡分析儀對天線的S參數(shù)進行了測量,仿真與測量結(jié)果如圖6所示。實測結(jié)果表明,天線在807～835MHz范圍內(nèi)回波損耗小于-10 dB,帶寬約為28 MHz。

圖6 仿真與實測回波損耗曲線Fig.6 Simulated and measured return loss curve

圖7 天線垂直極化輻射方向圖Fig.7 Vertical polarized radiation pattern of antenna

圖7 給出的是天線垂直極化輻射方向圖。從圖中可以,實測方向圖與仿真結(jié)果吻合較好。天線在xoz面內(nèi)3 dB波束寬度達到197°。天線在 yoz面內(nèi)有凹陷是因為水平電流較垂直電流弱,其產(chǎn)生的輻射場不足以彌補單極子在z軸方向的凹陷。天線在xoy面內(nèi)方向圖接近全向輻射。

圖8給出的是天線在 xoz面和xoy面內(nèi)的增益曲線圖。圖中可以看出,在 xoz面的上半部分,天線的增益在1 dB左右,其3 dB波束寬帶大于180°。天線在xoy面內(nèi)增益有一定起伏,這是由天線結(jié)構本身不是關于z軸對稱引起的。

圖8 天線增益曲線Fig.8Gain of the antenna

4 結(jié) 論

本文針對高速無人靶機測控通信的需要,提出了一種新型寬波束低剖面無人機載共形天線。該天線由單極子天線演變而來,通過加載短路探針,使天線在保持低剖面的同時取得了良好的阻抗匹配,同時也使天線輻射垂直極化波。天線在水平方向準全向輻射,在垂直面內(nèi)的3 dB波束寬度達到197°。實驗結(jié)果驗證了理論分析。該天線替換了某型無人靶機上傳統(tǒng)的單極子天線,經(jīng)過實測通信距離得到了顯著增加,且通信無盲區(qū)更可靠。該天線具有結(jié)構簡單、加工成本低、剖面低、波束寬等優(yōu)勢,在高速無人靶機上具有廣闊的應用前景。

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