新型C波段宽带小型化全向天线

1 引言

微波全向天线较多应用于一点多址通信中，广泛地应用于军事、 航天、遥控、遥测领域。在较低频段中，微波全向天线主要有螺旋天线、交叉馈电式天线、波导缝隙天线；而随着现代通信技术的发展，通信频率向更高的波段发展 已是必然趋势，在C波段或更高的频段，波长很短，以上提到的天线由于结构复杂，导致加工费用高，调试困难，并且馈电结构也难于设计，使得天线的带宽较窄； 同时这些类型的天线高度均超过半波长或者四分之一波长，天线高度太大导致其占用的体积空间较大，并且天线RCS（雷达散射截面）也较大，对各类载体平台的电磁隐身特性也带来较大影响。

考虑到上述情况，有必要为实际通信平台开发一种全向天线，即新型C波段宽带小型化全向天线，它能够提供比现有天线更理想的电磁特性，本文将详细讨论该天线的性能及主要结构参数对天线性能的影响，并对天线的阻抗及辐射特性进行分析。

2  天线基本结构及辐射原理

新型C波段宽带小型化全向天线共形全向天线示意如图1、图2所示，图1为天线本身的外形结构，图2为天线剖面图。从图中可以看出，该天线是由金属圆盘、金属单极子、介质垫片、方形金属地板以及同轴馈电连接器共同构成。

图1  天线示意图

图2  天线剖面图

金属圆盘半径r1、厚度h1，金属单极子半径r2、高度h2，它们加工为一个整体；金属单极子中部有螺纹孔；聚四氟乙烯介质垫片为一个类似“瓶盖”的腔体结构，半径r3、厚度h3，中间有通孔使得同轴内芯通过，其下部腔体尺寸可使得同轴连接器刚好深入其内部；方形金属地板中间有通孔使得连接器外导体通过；同轴连接器为市售产品，选用的是N型同轴连接器N-50KF-C，其特殊之处在于伸出的内芯有螺纹，它可以直接穿过介质垫片上的通孔与金属单极子中部的螺纹孔旋拧在一起，从而使得整个天线成为一个整体。

在本设计中，天线金属圆盘及金属单极子是起辐射作用的最主要部件，用于向空间辐射电磁波。当发射信号时，同轴连接器通过连接的同轴电缆输 入外接发射机的发射信号，同轴接头输出的能量激起金属圆盘及金属单极子上的表面电流，从而产生辐射；由于所采用的金属单极子直径较大，使得天线可以发射较 宽带宽范围内的垂直极化电磁波；由于金属单极子顶端接入了金属圆盘，这使得天线顶端的电流不为零，有效的实现了天线的小型化；由于介质垫片为腔体结构，分 隔开天线的辐射结构与金属地板，使得同轴电缆能够有效的激励天线电流；金属圆盘、金属单极子及介质垫片在结构上均成中心轴对称分布，可以使得天线在水平面 360度范围内辐射场均匀分布。

3  主要结构参数对于天线阻抗特性的影响

反射损耗是天线的一个重要性能参数，它决定了天线的阻抗特性。在设计过程中发现，影响该天线反射损耗性能的主要结构参数为金属圆盘半径r1、厚度h1，金属单极子半径r2、高度h2。通过多组建模仿真，可以得到各个参数对于天线反射损耗的影响规律，以便于实际天线的设计实现。

3.1  金属圆盘半径r1对反射损耗的影响

作为最主要的辐射结构，金属圆盘的尺寸在很大程度上决定了天线的谐振频率，图3是针对不同的金属圆盘半径r1反射损耗随频率的变化曲线。随着半径的增大，天线的谐振频率逐渐向低频端偏移，与一般的单偶极子天线类似，辐射体尺寸与天线频率呈现出相反的变化规律。

图3  反射损耗与r1的关系 3.2  金属圆盘厚度h1对反射损耗的影响

图4是针对不同的金属圆盘厚度h1反射损耗随频率的变化曲线。从图中可以看出，金属圆盘的厚度同样会影响天线的谐振频率，随着厚度的增大，天线的谐振频率逐渐向低频端偏移，与金属圆盘半径类似，该尺寸的大小与天线频率高低呈现出相反的变化规律。

图4  反射损耗与h1的关系

3.3  金属单极子半径r2对反射损耗的影响

金属单极子不仅是该天线的辐射结构，同时它还作为过渡部件连接金属圆盘及馈入电流的同轴连接器。图5是针对不同的金属单极子半径r2反 射损耗随频率的变化曲线。从图中可以看出，该半径不仅影响谐振点位置，还在很大程度上影响反射损耗的大小，如果该半径过大，则反射损耗很大，即C波段在同 轴接头馈入天线的能量大部分都被反射，使得天线无法正常工作；从安装角度考虑，若该半径过小，则辐射结构没有办法与同轴连接器的螺纹内芯连接，所以在天线 尺寸的设计上要综合考虑天线性能及安装结构。

图5  反射损耗与r2的关系