陈鹏宇，候宇通，王满仓

（上海航空机械有限公司，上海 201314）

引言

近年来随着电子科学技术的不断发展，无线通信技术也随着发展浪潮不断进步。从手机通信基站到飞机、车、船、导弹、卫星等各种载体上，搭载了种类繁多的通讯天线和设备。随之而来的设备间的相互影响，固定空间下设备的排布等问题也变得十分突出和棘手。

设备向着小型化，多功能化发展，天线也需要适应其发展，特别是在超短波频段，其波长较长，相应的天线尺寸也很大，这对整个载体的天线布局带来极大的难度。而且因天线尺寸很大，对高速运动的载体的气动外形影响也很大，极大限制了其运用环境。因此，迫切的需要在缩小天线尺寸的同时对天线的宽带化进行研究，目的是使用小型化的天线覆盖更宽的频段。

1 天线的设计

传统倒锥台形式的天线也称锥形单极子天线，是一种常见的宽带天线形式，其锥顶可以是平的，也可以是其他形状，通过调节锥角（锥角通常使用范围为60°~100°）可以使其阻抗曲线在很宽的频带内保持稳定，实现宽带特性。天线的工作带宽只和其尺寸相关，故也称为频率无关天线。但是其较大的体积并不适应现在天线发展中的小型化要求。本章研究的主要内容即以锥形单极子天线为基础，进行小型化设计。

图1 给出了天线的结构示意图，如图所示，天线主要由天线罩、锥形辐射体、短路柱、介质支撑柱、地板构成。在倒锥台辐射体上添加圆环形式的顶加载结构，顶加载圆环改变了天线辐射体和底板间的分布电容和分布电感，有效地减小了天线的尺寸；短路柱连接天线的顶加载和底板，使天线辐射体和底板短接，进一步减小了天线的尺寸。采用锥形结构作为辐射体，可保证天线在很宽频带内具有稳定的阻抗特性；天线的圆环加载结构，在不额外增加天线高度的条件下，增加了天线的有效辐射面积，展宽了天线的低频带宽，同时圆环加载结构和地板间形成了电容加载结构，而添加的短路柱结构形成了电感加载，通过优化调整圆环加载的尺寸以及短路柱的粗细、数量和加载位置，可以使天线输入阻抗在频带内更加平坦，实现了天线的小型化和宽频带。天线直径为天线低频工作频率的0.3 个空气波长，天线高度为天线低频工作频率的0.1 个空气波长。

为了进一步缩小天线尺寸，可在短路柱上接入电阻进行加载。电阻加载虽然会牺牲一定的增益，但可以进一步缩小天线尺寸，需在天线增益和尺寸上作平衡。天线直径可降低到天线低频工作频率的0.05 个空气波长，天线高度为天线低频工作频率的0.025 个空气波长了，天线实现了宽频带小型化低剖面的特性。

图1 天线结构示意图

为了减轻天线的重量，天线辐射体与圆环顶加载采用整体结构形式，可通过模具冲压成型，既保证结构尺寸，又提高整体结构强度，避免了铝板焊接强度较低的问题；圆柱形地板可选用玻璃钢-蜂窝材质覆铜的结构形式；为了确保天线结构在各种载具环境下的可靠性，天线馈电部分采用螺纹内导体形式的同轴电缆连接器与天线的辐射体进行连接，在天线组装时添加导电胶，确保电连接的可靠性；同时使用非金属介质对馈电点位置进行保护和加固，非金属介质通过螺钉与天线辐射体和地板分别进行连接紧固，增强天线馈电位置的结构稳定性和天线的可靠性。在天线的圆环顶加载结构和地板间均匀添加了四根介质支撑柱，介质支撑柱两端用螺钉与天线辐射体和地板分别进行连接紧固，四根介质支撑柱和四根金属短路柱使得天线结构更加稳固。天线整体包裹在玻璃钢-蜂窝材质的天线罩内，以使其满足室外工作的需求，天线结构的剖面图如图2 所示。

图2 天线馈电结构示意图

图3 天线仿真驻波比曲线图

2 天线仿真结果

研究中采用有限元法对天线进行了仿真设计。图 3给出了天线的电压驻波比的仿真结果，如图所示，天线电压驻波比在30~90MHz 的3 个倍频程的频带内小于2。

天线的各频点仿真方向图如图4 所示。

从图4 可以看出，天线在E 面辐射方向图是传统单极子天线的“8”字形辐射方向图；且在整个工作频段范围内比较稳定。但随着频率升高，E 面方向图形状发生变化，其最大辐射方向已经偏离水平面，逐渐上翘，这是由于不同频率下地板反射影响不同和天线辐射体上出现反向电流，两者的共同作用。在H 面内具有全向覆盖的辐射特性，工作频带内的中、低频天线水平面方向图的不圆度在0.5dB 以内，全向增益的不均匀性主要由短路柱的引入而引起。随着频率的升高，在高频段，因天线波长变短，短路柱分布等不对称因素影响增大，高频水平面方向图的不圆度接近1dB。

3 样件测试结果

根据上述设计方案制作了样件，如图5 所示。天线罩为玻璃钢-蜂窝材料，天线整体密封结构。天线实物直径400mm，高度260mm，重量约为2.25kg。

图 4 天线仿真方向图

图5 天线实物图

对天线样件的电性能进行了测试，主要指标见表1。

表1 主要电性能测试数据

通过样件测试数据可以看出，实测结果与仿真结果基本一致。

4 结束语

本文对宽带低剖面锥形单极子天线进行了研究，天线辐射体采用锥形渐变结构，通过采用顶加载、短路柱和电阻加载的方式，降低天线高度和尺寸，通过调节锥形的角度，加载圆盘尺寸和短路柱的数量和加载电阻的规格可以改变天线的输入阻抗，有效地展宽了天线阻抗带宽。天线在30MHz~90MHz 频段的3 个倍频程带宽内具有优异、稳定的电性能。