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

3.4  金属单极子高度h₂对反射损耗的影响

图6是针对不同的金属单极子高度h₂反射损耗随频率的变化曲线。从图中可以看出，金属单极子的高度会在很大程度上影响天线的谐振频率，随着高度的增大，天线的谐振频率逐渐向低频端偏移，与普通单极子尺寸与频率的对应关系一致。

图6  反射损耗与h₂的关系

4  天线性能分析

在上述分析的基础上，应用仿真软件HFSS对天线参数进行了逐一的调整，最后得出了性能最优结构参数，最终天线地板以上的总体高度h₁+h₂+h₃仅为最低工作频率f_L所对应波长的八分之一左右，现对其性能进行如下分析。

4.1  天线的阻抗特性

前面已经提到过，天线的反射损耗是一个重要性能参数，它反映了天线的阻抗特性。图7给出了该C波段宽带小型化全向天线反射损耗的结果。在f_L ~ f_H的频率范围内，天线反射损耗的仿真结果均小于-10dB，这种全向天线阻抗特性良好，它具有45%左右的阻抗带宽。

图7  天线的反射损耗

4.2  天线的辐射特性

对于全向天线，增益特性是衡量其性能好坏的重要指标，图8是该天线的增益随频率的变化关系（f_L ~ f_H）。频率在f_L ~ f_H范围内，增益变化范围是3.5~6dB，变化幅度小于2.5dB，增益在频带内较为稳定；天线的方向图是表征天线辐射特性与空间角度关系的图形，图9表示该天线在频率分别为f_L、(f_L+f_H)/2、f_H时水平面方向图的结果。在各个频率上，该天线水平面近似全向辐射，不圆度小于2dB，方向图稳定性较好。

图8  天线的增益

图9  天线的方向图 天线的拓展应用

本文设计的天线结构可采用方形金属地板，且尺寸可根据应用需求适当调整；同时，也可根据实际需求在一定尺寸范围内采用圆形地板或者异形地板，参见图10，地板形状改变，基本不会影响天线性能。此外，本天线应用场合灵活，它可单独作天线用，也可用作反射面天线的馈源或者阵列的单元，尤其适用于作八木天线的有源振子，参见图11，该天线本身前后适当位置加入引向金属棍和反射金属棍即可以有效缩小八木天线的总体高度。

图10  地板为圆形时的天线结构

图11  天线作为八木天线有源振子的结构

6  结论

本文所论述天线与现有技术相对照，其效果是积极和明显的。天线的工作频段为C波段，本身高度仅为最低工作频率所对应波长的1/8左右；天线相对带宽约为45%，在频段内可以良好的与50Ω同轴电缆匹配；天线在水平面360度的范围内辐射场均匀全向分布，不圆度小于2dB；此外，本天线结构灵活，除了可采用方形地板，还可在一定尺寸范围内采用圆形或者异形地板，并且天线可以作为八木天线的有源振子使用，有效缩小八木天线的总体尺寸。

作者：钟玲玲 李鹏 李永翔