三频段嵌入式共形天线设计
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摘要：共形天线是机载天线的发展方向之一，可以使天线与飞机蒙皮共形，实现天线的隐身化，减小飞机的飞行阻力，越来越多被使用，本文提出的共形天线，是可以与无人机等载体共形的嵌入式天线，天线高度低，但可以实现水平面全向，且可以在三个频率段工作。
关键词：共形;垂直极化;三频段
中图分类号：TN823 文献标识码：A 文章编号：1007-9416（2019）12-0147-02
0 引言
天线是现代飞行器上必不可少的组成部分，例如飞机的的通信、导航、敌我识别、电子战、雷达等设备都离不开天线。共形天线是一种特殊的天线形式，它是指天线的外形可以与载体的外表面共形的天线，也就是说天线的表面外形是由载体的气动外形或功能外形所确定的，而不是由天线的电磁外形所确定。一般的通信天线为垂直极化天线，要求水平面具有全向方向图，所以设计时将天线设计成垂直高度较高的刀型结构[1]，基本形状类似与飞机的垂尾，在飞行中天线不仅会增大飞机的雷达散射截面，还会降低飞机的机动作战的能力。如果改变天线的结构形式，使天线可以与飞机的某些表面共形，将天线隐藏起来，这样就使天线变成了共形天线。近年来航空技术快速发展，越来越多的飞机提出了共形天线的需求，使得共形天线变成了研究热点问题。
1 共形中的三频段天线设计
一架飞机上往往会装有多副天线，一般为20多副，对于军用飞机有可能多达70多副[2]，这些天线只有极少部分安装在机身内部，绝大多数都突出在机身外部，外部安装的天线，一般需要配套突出机身的天线罩，使天线免受外部气动载荷的影响。飞机上的这些传统的天线，无论安装在哪里，都会对飞机的气动特性产生不利的影响，并且增大飞机的雷达散射截面（RCS），降低天线的隐形能力。所以，从改善飞机的气动外形和降低RCS角度出发，都希望对传统的天线加已改进，采用嵌入式共形天线，嵌入式共形天线具有低剖面的特点，可以安装在飞机表面而不增加额外的飞行风阻。
本文设计一款工作在UHF频段三个频点的垂直极化天线，要求该天线在水平面具有全向的方向图，同时天线需嵌入安装到载体上保持共形。共形的要求使得天线的总高度较低，腔体深度为9mm，腔体大小为208mm×84mm，天线设计时辐射体的不得突出腔体表面，这相比该天线最低工作频段波长760mm来说，天线空间尺寸非常小，属于电小天线设计范畴，所以传统的嵌入盘形结构无法满足这么小的尺寸要求[3]。本文采用环形缝隙结构实现天线的电小，并采用双接地柱设计实现电小天线的谐振工作。为了满足天线三个频点工作要求，通过在环形缝隙结构内部增加寄生枝节，产生了两个新的谐振模式，分别在中频和高频形成了两个所需的谐振点。同时由于天线的电小特性，天线的匹配也是一个难点，本文采用耦合馈电方式，对环形缝隙结构和寄生枝节提供感性加载，提高天线的匹配能力。最终天线的基本结构如图1所示。
2 三频段天线分析
天线的基本结构已经确定，需要对天线的详细尺寸进行设计，并且由于天线是窄带多频点天线，所以要对主要影响天线谐振频率点和驻波比的参数进行分析。经过大量的仿真论证发现，影响天线谐振频率点的参数有很多，但影响较大的参数较为单一，低端谐振频率点主要受到縫隙环的周长S影响，S值增大，谐振频率点降低;中段谐振频率点主要受到上寄生枝节长度YL4影响，当YL4长度增加时，中段谐振点较大向低频较大幅度移动，高频谐振点较小幅度向低频移动，如图2所示;高端谐振频率点主要由下寄生枝节长度YL1影响，当下寄生枝节长度增加时，高频谐振向低频较大幅度的移动，中频谐振点有较小幅度的移动;天线中心的耦合馈电方式对谐振点的电压驻波比影响较大，当改变耦馈电宽度LY3时，天线的谐振点电压驻波比会整体移动，如图3所示。
3 天线性能测试
通过第三节对天线的主要参数进行分析，确定了影响天线谐振频率和电压驻波比的关键因素，所以对天线的各个参数进行优化，根据天线的谐振频率点要求，进行仿真计算，最终天线的电压驻波比如图4所示，天线在393.3Mhz、552.8Mhz、576.6Mhz谐振。各频点的方向图如表1所示，天线的方向图在水平面具有全向性，随着频率的升高，天线的方向图逐步上翘，但仍能满足使用要求。
根据上述理论的分析，设计了嵌入式共形天线的样机，三维图如图5所示，天线环形辐射部分采用聚四氟乙烯板制作，并在中间开方形槽，垂直耦合通过方槽从天线环形辐射部分中心槽中穿出。天线壳体采用铝合金机械加工而成，中间形成内腔用于安装辐射体，外部设计法兰用于共形天线与飞机蒙皮的嵌入式共形安装。
4 结语
本文提出的嵌入式共形天线，是在电小天线的基础上实现嵌入式共形，由于电小天线的特点，Q值较高，实现天线的垂直极化和宽带化均较困难，本文采用环形缝隙设计方法，并增加了寄生直接，实现了所需的三个频段的有效设计，最终设计了一款高度仅9mm，但最低可以工作在393Mhz的嵌入式共形天线。
参考文献
[1] 钱志伟，王忍.一种刀形机载天线的结构设计[J].通信对抗，2013，32（02）：51-53.
[2] 朱松.共形天线的发展及其电子战应用[J].中国电子科学研究院学报，2007（06）：562-567.
[3] 聂在平.天线工程手册[M].西安电子科技大学出版社，2014：237.
Three-band Embedded Conformal Antenna Design
YUAN Nan，WU Jun-jun，LIU Yong-xia
（Chinese Flight Test Establishment， Xi'an Shaanxi 710089）
Abstract：Conformal antennas are one of the development directions of airborne antennas， which can make the antenna conform to the skin of the aircraft， realize the stealth of the antenna， reduce the flight resistance of the aircraft， and are increasingly used. The antenna is an embedded antenna that can be conformed to a carrier such as a drone. The antenna height is low， but it can achieve omnidirectional horizontal planes， and it can work in three frequency bands.
Key words：conformal antenna;vertical polarization;three-band antenna
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