一种多频段共口径宽带天线的设计

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　　摘要：本文设计了一种多频段共口径宽带天线，并对其进行了分析。利用多边形贴片天线和宽频带匹配技术相结合的方式实现四倍频的超宽带天线，同时将另外一个频段的独立天线集成到其内部，实现共口径应用。同时通过在内部天线周围增加金属条寄生单元来改善外部天线对其方向图的影响。结果表明天线在电压驻波比小于3.5时，外部天线的带宽达到了4倍频，同时具有良好的增益。内部天线在电压驻波比小于2时，带宽达到了2倍频，同时具有良好的增益和不圆度。
　　关键词：宽带;多频段;共口径
　　中图分类号：TN927.2 文献标识码：A 文章编号：1007-9416（2020）03-0157-03
　　0 引言
　　随着无线电技术的飞速发展，机载航电系统越来越发达，所要完成的功能也越来越多。对于和其配套的天线的种类和性能也提出了更多的要求，比如带宽越来越宽、增益越来越高、体积越来越小，同时重量也越来越轻，其中垂直极化全向天线就是机载平台比较常用的天线形式。
　　垂直极化全向天线，由于其方向图的全向性，非常适应于飞机的话音和数据的实时通信要求，所以被广泛应用于各个飞机平台。但是垂直天线对安装平面具有很高的要求，比如天线之间要有一定的安装距离来减少对方向图的影响，这和飞机上的有限的空间是矛盾的。这就需要研究一种共口径[1]复合天线，实现多个天线共用一个辐射口径，占用一个安装面，为飞机节省更多的空间资源。
　　单极子刀型天线[2-6]由于具有结构紧凑强度高、空气气动性好、环境适应强等特点，已经被广泛应用于各个机载平台来实现垂直极化全向天线，而其中把VUH＼UHF＼L频段复合在一个刀型天线里实现共口径复用一直是飞机话音和数传通信系统天线努力的目标。目前有两种方式实现这种共口径，一种是将L频段放在天线的顶端，但是这种方法实现的L频段天线，由于距离地有一定距离，会产生多径效应，使天线高仰角的方向图产生零深，不利于飞机翻滚飞行时的通信。还有另外一种是将天线放在天线的中部，利用缝隙辐射，虽然这种解决了L波段辐射的多径效应，但是L波段带宽比较窄，而且L波段方向图不圆度也不好。本文设计的天线，即解决了L频段多径效应，而且具有带宽宽、不圆度好，同时利用宽频带匹配技术[7]，使另外一个频段的天线也具有良好的性能，实现了两个天线的宽带和共口径。
　　1 天线结构设计
　　本文重点研究了一种多频段共口径宽带天线，使VHF/UHF/L同时集成到一个辐射体中，具体结构见图1。
　　由图1可看出，整个天线为刀型，被放置在厚度为2mm，介电常数为4.4的介质板上。VUF/UHF频段采取在辐射体表面开槽开缝来延长天线表面的电流分布，同时在天线输入口引入LC匹配网络对天线的输入阻抗进行变换的方法以得到良好的电性能。L频段天线被放置于整个空间的下端，并被VUH/UHF天线的金属平面包围，这造成L频段天线水平面方向图不圆度不好。在设计过程中通过合理调节L天线的架设高度、同时在天线内设立两对寄生单元使得L频段天线的不圆度得到改善。
　　VUH/UHF天线设计的难点主要是宽频带阻抗匹配。传统的方法是天线采用多边形折叠振子，同时在振子的末端增加吸收负载，从而实现天线的宽频带阻抗。但是此方法会使天线低频段增益比较低。本文采用低损耗LC宽频带匹配网络技术，在保证天线带宽的情况下，大幅度的提高了天线的增益。
　　图2是天线前端的宽频带匹配网络图，图3是有无匹配网络天线驻波曲线图，图4是传统匹配方法和LC匹配方法低频段增益曲线图。
　　由图3和图4可以得出，新型匹配方法的引入既可以实现天线的宽频带工作，又能更好的提升天线的增益。
　　图5是L频段有无寄生单元的驻波比曲线图，图6是L频段段有无寄生单元的中心频点的增益曲线图。
　　由图5和图6可以得出，寄生单元对的引入，使天线的方向图不圆度得到了很好的改善，驻波比带宽变化不大，很好的解决了VHF/UHF频段天线对L頻段包围的造成L频段天线不圆度大的影响，实现了两天线的共口径应用。
　　2 实测结果
　　本文设计的多频段共口径宽带天线的实物如图7所示，图8是天线实测VHF/UHF频段驻波比曲线和最低频点增益曲线图，图9是天线实测L频段驻波比曲线和中心频点增益曲线图。
　　由图8与图3和图4对比可得，天线在加工成实物后驻波比带宽变好，可能由于罩体损耗的影响，整个4倍频范围内带宽驻波比小于3.5，增益良好，最低频点增益大于-5dBi。由图9与图5和图6对比可得，天线在加工成实物后驻波比带宽，除了中间频段变差一点点外，其他频点几乎没有变化，不圆度良好并变化不大，为2.5dB，最终所有指标达到设计要求。
　　3 结语
　　随着机载天线的种类越来越多，而飞机的安装空间是有限的，迫切需要将多个天线进行复合处理。本文提出了一种多频段共口径宽带天线，采用宽带和共口径的两种方法结合的手段来提高天线的综合实力。本文采用LC匹配网络技术实现了VHF和UHF频段的宽频带驻波比，同时保持其拥有良好的增益。为了改善被VHF/UHF天线包围的L频段天线的不圆度，引入一对寄生单元结构，效果明显。天线最终被做成了实物，经过测试效果良好，具有良好的应用前景。
　　参考文献
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　　[7] 孙保华，纪奕才，刘其中.VHF/UHF天线宽带匹配网络的优化设计与实验研究[J].电子学报，2002（06）：797-799.
　　Abstract：In this paper， a multi-band common aperture broadband antenna is designed and analyzed. Utilizing a combination of polygonal patch antennas and broadband matching technology to achieve a quadruple-frequency UWB antenna. At the same time， the independent antenna of the other frequency band is integrated into it to realize the common aperture application. The influence of the external antenna on its pattern is improved by adding a metal strip parasitic unit around the internal antenna. The results show that when the VSWR of the antenna is less than 3.5， the bandwidth of the external antenna reaches 4 times the frequency and a good gain. When the VSWR of the internal antenna is less than 2， the bandwidth reaches 2 times the frequency， and a good gain and roundness.
　　Key words：broadband; multi-band; common aperture
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