徐 平，唐延新

(西安導(dǎo)航技術(shù)研究所 通信事業(yè)部，陜西 西安 710068)

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一種用于空地通信的機(jī)載寬帶雙錐天線的設(shè)計(jì)

徐 平，唐延新

(西安導(dǎo)航技術(shù)研究所 通信事業(yè)部，陜西 西安 710068)

提出了一種用于空地通信的機(jī)載寬帶雙錐天線。通過采用不對稱的折線椎體結(jié)構(gòu)，使得天線在滿足工作帶寬的基礎(chǔ)上，實(shí)現(xiàn)方向圖波束的上傾。仿真結(jié)果表明，天線在14.5～16.5 GHz頻帶內(nèi)反射系數(shù)<-15 dB，在仰角-5°～+25°范圍內(nèi)增益>0 dBi，半功率波束寬度>30°，不圓度優(yōu)于1 dB。

雙錐天線；寬帶；不對稱椎體

天線是輻射和接收電磁波的關(guān)鍵部件，是無線通信系統(tǒng)的重要組成部分[1-3]。為適應(yīng)通信裝備變革要求，寬頻帶天線這一關(guān)鍵技術(shù)也日趨活躍[4-9]。

機(jī)載平臺下的無線通信中，多采用垂直極化的全向天線來實(shí)現(xiàn)載體機(jī)動(dòng)時(shí)的不間斷通信。常用的機(jī)載全向天線有單極子天線，雙錐天線等。傳統(tǒng)的雙錐天線多采用對稱椎體結(jié)構(gòu)，可滿足工作寬帶，但無法對輻射方向圖進(jìn)行控制?；诳盏赝ㄐ诺男枨?，常需要天線輻射方向有一定的傾斜角度；同時(shí)，為保證飛機(jī)遠(yuǎn)距離時(shí)的通信良好，需要天線的輻射方向圖在以一定仰角范圍內(nèi)保持良好的增益和不圓度[10-15]。

本文設(shè)計(jì)了一種折線椎體結(jié)構(gòu)的寬帶雙錐天線。通過引入的折線椎體結(jié)構(gòu)，有效實(shí)現(xiàn)了天線最大輻射方向的上傾，并保證了俯仰面方向圖的波束覆蓋，滿足機(jī)載平臺的空地通信需求。天線在14.5～16.5 GHz頻帶內(nèi)反射系數(shù)<-15 dB，在仰角-5°～+25°范圍內(nèi)增益<1 dBi，不圓度優(yōu)于1 dB，3 dB波束寬度>30°。

1 天線設(shè)計(jì)與結(jié)構(gòu)

提出的雙錐天線示意圖如圖1所示。天線由天線罩、上椎體、下椎體、連接器等4部分組成。

圖1 雙錐天線示意圖

利用折線椎體結(jié)構(gòu)的上椎體與非對稱的下椎體，可在上、下兩個(gè)椎體之間形成多個(gè)不等的錐角，進(jìn)而實(shí)現(xiàn)對天線俯仰面方向圖的波束控制。

圖2 天線裝配結(jié)構(gòu)示意圖

如圖2所示，天線采用階梯狀的天線罩和連接器來實(shí)現(xiàn)天線兩椎體之間的位置固定。

2 天線仿真與分析

使用3D電磁仿真軟件ANSYS HFSS對設(shè)計(jì)的寬帶雙錐天線進(jìn)行了仿真優(yōu)化分析，得到的最終尺寸如下：R1=18 mm，R2=5 mm，R3=24 mm，R4=2 mm，R5=4.5 mm，R6=36 mm，d=1 mm，H1=4 mm，H2=8 mm，H3=13 mm，H4=1 mm，H5=1 mm，H6=8 mm。

圖3和圖4給出了天線折線椎體的中間椎體的高度H2、半徑R2不同時(shí)，天線電壓駐波比的仿真結(jié)果。如圖所示，改變H2、R2，可以對天線的諧振點(diǎn)進(jìn)行微調(diào)。

圖3 參數(shù)H2對天線電壓駐波比的影響

圖4 參數(shù)R2對天線電壓駐波比的影響

圖5給出了天線不對稱椎體的饋電間距d變化時(shí)，天線電壓駐波比的仿真結(jié)果?？梢钥闯觯S著饋電間距的增大，天線電壓駐波比變大而且變化明顯。

圖5 參數(shù)d對天線電壓駐波比的影響

圖6和圖7給出了參數(shù)H2、R2不同時(shí)，天線中心頻率的俯仰面輻射方向圖的仿真結(jié)果。從中可以看出，中間椎體的結(jié)構(gòu)尺寸對天線的俯仰面方向圖影響很大，可通過優(yōu)化該參數(shù)，實(shí)現(xiàn)所需的方向圖。

圖6 參數(shù)H2對天線輻射方向圖的影響

圖7 參數(shù)R2對天線輻射方向圖的影響

圖8給出天線在引入不對稱的折線椎體結(jié)構(gòu)前后的天線中心頻率的俯仰面輻射方向圖的仿真結(jié)果，可以看出，引入改進(jìn)結(jié)構(gòu)對天線方向圖的最大輻射方向、3 dB波束寬度等有明顯的調(diào)節(jié)。

圖9給出了天線反射系數(shù)的仿真結(jié)果。從圖中可以看出，天線在14.5～16.5 GHz工作頻帶內(nèi)反射系數(shù)<-15 dB。圖10給出天線的方向圖仿真結(jié)果，可以看出天線在仰角-5°～+25°范圍內(nèi)增益>0 dBi，3 dB波束寬度>30°，不圓度優(yōu)于1 dB。

圖8 結(jié)構(gòu)改進(jìn)引入前后的天線輻射方向圖

圖9 天線反射系數(shù)仿真結(jié)果

圖10 天線輻射方向圖仿真結(jié)果

3 結(jié)束語

本文設(shè)計(jì)了一種用于空地通信的機(jī)載寬帶雙錐天線。利用引入的不對稱折線椎體結(jié)構(gòu)，實(shí)現(xiàn)了天線在寬頻帶上的方向圖波束上傾。仿真結(jié)果表明，天線在14.5～16.5 GHz頻帶內(nèi)反射系數(shù)<-15 dB，俯仰面方向圖上傾5°～10°，3 dB波束寬度>30°。

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Design of a Broadband Dual-Cone Antenna for Air-Ground Communication

XU Ping，TANG Yanxin

(The Ministry of Communications, Xi'an Research Institute of Navigation Technology, Xi’an 710068, China)

A broadband dual-cone antenna for air-ground communication is proposed. A broad operation band and radiation characteristics of tilted beam can be obtain by using asymmetric curvilinear cone. The simulated results show that the reflection coefficients are less than -15dB over the operating band of 14.5 ～ 16.5 GHz, with the gain greater than 0 dBi at elevation angle of -5° ～ +25°, the 3 dB beam width greater than 30°, and the un-roundess of pattern less than 1dB.

Dual-cone antenna; broadband; asymmetric cone

2016- 11- 07

中國博士后科學(xué)基金(2017M613188)

徐平(1988-)，男，博士，工程師。研究方向：天線與射頻電路。

10.16180/j.cnki.issn1007-7820.2017.07.044

TN821

A

1007-7820(2017)07-156-03