許 鳴 ,王開華,王克選張穎松,3,劉宗全,3

(1.南京模擬技術(shù)研究所,南京 210016;2.解放軍理工大學(xué)通信工程學(xué)院,南京210007;3.東南大學(xué) 毫米波國家重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室,南京 210096)

1 引 言

共形天線具有良好的空氣動(dòng)力學(xué)特性,特別適用于高速飛行器等移動(dòng)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(jī)載天線一般采用垂直極化或圓極化方式。無人機(jī)的飛行距離高度比值大,決定了機(jī)載通信天線的方向圖在水平面上應(yīng)具有全向性,同時(shí)在垂直面具有低仰角增益。為了確保無人機(jī)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(diǎn),被廣泛應(yīng)用到共形天線中。文獻(xiàn)[1]設(shè)計(jì)了無人機(jī)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(dá)到要求。文獻(xiàn)[2-5]設(shè)計(jì)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(jī)載時(shí)需要將天線直立安裝。文獻(xiàn)[6]設(shè)計(jì)了結(jié)構(gòu)簡單的倒F天線,獲得了滿足要求的方向圖。文獻(xiàn)[7]則設(shè)計(jì)了一種無人機(jī)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(jī)的飛行性能。

為實(shí)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(gòu)。為改善因單極天線平置引起的匹配惡化以及實(shí)現(xiàn)垂直極化方式,在適當(dāng)位置加載短路探針。為驗(yàn)證理論分析的正確性,制作了天線實(shí)物,并共形至載體上進(jìn)行了測量。

2 天線設(shè)計(jì)與分析

天線設(shè)計(jì)要求:

(1)共形載體為理想導(dǎo)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(gòu)如圖1(a)所示。這里選擇的共形載體為理想導(dǎo)體圓筒,圓筒半徑為190 mm,長度為1000 mm,遠(yuǎn)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(shí)的尺寸。

圖1 天線結(jié)構(gòu)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(dǎo),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(dāng)C很大時(shí),Zin的實(shí)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(duì)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(shí)的回波損耗。從圖中可以看出,當(dāng)H為10 mm時(shí),天線在0.63GHz處諧振,回波損耗最小值僅為-0.52 dB,對(duì)應(yīng)的輸入電阻和電抗分別為2.3 Ψ和+36.7 Ψ,說明此時(shí)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(dāng)高度H增加時(shí),天線匹配得到改善,同時(shí)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?yàn)楫?dāng)高度H增加時(shí),并聯(lián)電容C減小,根據(jù)公式(1)可推知輸入阻抗實(shí)部增加,虛部減小,匹配變好,但這也使得天線剖面增加,對(duì)無人機(jī)空氣動(dòng)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(diǎn)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(gòu)如圖3(a)所示。圖中天線以短路針基準(zhǔn),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(duì)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(gòu)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(duì)于未加短路針的天線,當(dāng) L1取合適的值時(shí),可以使 Zin的實(shí)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(duì)較強(qiáng)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(shí)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(shí),由于天線用金屬片代替細(xì)導(dǎo)線結(jié)構(gòu),使得實(shí)際電流路徑大于90 mm,從而使諧振頻率小于830 MHz(對(duì)應(yīng)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(qiáng),金屬片上電流相對(duì)較弱,因此天線上占主導(dǎo)地位的是垂直流動(dòng)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(yàn)證設(shè)計(jì)方案的正確性,對(duì)加載短路針的天線制作了實(shí)物,并對(duì)各種參數(shù)進(jìn)行了測量。天線被安裝在無人機(jī)殼模型上,機(jī)殼材質(zhì)為碳纖維。用矢量網(wǎng)絡(luò)分析儀對(duì)天線的S參數(shù)進(jìn)行了測量,仿真與測量結(jié)果如圖6所示。實(shí)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(shí)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(shí)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(dá)到197°。天線在 yoz面內(nèi)有凹陷是因?yàn)樗诫娏鬏^垂直電流弱,其產(chǎn)生的輻射場不足以彌補(bǔ)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(gòu)本身不是關(guān)于z軸對(duì)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(duì)高速無人靶機(jī)測控通信的需要,提出了一種新型寬波束低剖面無人機(jī)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(shí)取得了良好的阻抗匹配,同時(shí)也使天線輻射垂直極化波。天線在水平方向準(zhǔn)全向輻射,在垂直面內(nèi)的3 dB波束寬度達(dá)到197°。實(shí)驗(yàn)結(jié)果驗(yàn)證了理論分析。該天線替換了某型無人靶機(jī)上傳統(tǒng)的單極子天線,經(jīng)過實(shí)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(gòu)簡單、加工成本低、剖面低、波束寬等優(yōu)勢,在高速無人靶機(jī)上具有廣闊的應(yīng)用前景。

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