1 引言

微波全向天線較多應(yīng)用于一點(diǎn)多址通信中，廣泛地應(yīng)用于軍事、航天、遙控、遙測(cè)領(lǐng)域。在較低頻段中，微波全向天線主要有螺旋天線、交叉饋電式天線、波導(dǎo)縫隙天線；而隨著現(xiàn)代通信技術(shù)的發(fā)展，通信頻率向更高的波段發(fā)展已是必然趨勢(shì)，在C波段或更高的頻段，波長(zhǎng)很短，以上提到的天線由于結(jié)構(gòu)復(fù)雜，導(dǎo)致加工費(fèi)用高，調(diào)試?yán)щy，并且饋電結(jié)構(gòu)也難于設(shè)計(jì)，使得天線的帶寬較窄；同時(shí)這些類型的天線高度均超過(guò)半波長(zhǎng)或者四分之一波長(zhǎng)，天線高度太大導(dǎo)致其占用的體積空間較大，并且天線RCS（雷達(dá)散射截面）也較大，對(duì)各類載體平臺(tái)的電磁隱身特性也帶來(lái)較大影響。

考慮到上述情況，有必要為實(shí)際通信平臺(tái)開發(fā)一種全向天線，即新型C波段寬帶小型化全向天線，它能夠提供比現(xiàn)有天線更理想的電磁特性，本文將詳細(xì)討論該天線的性能及主要結(jié)構(gòu)參數(shù)對(duì)天線性能的影響，并對(duì)天線的阻抗及輻射特性進(jìn)行分析。

2 天線基本結(jié)構(gòu)及輻射原理

新型C波段寬帶小型化全向天線共形全向天線示意如圖1、圖2所示，圖1為天線本身的外形結(jié)構(gòu)，圖2為天線剖面圖。從圖中可以看出，該天線是由金屬圓盤、金屬單極子、介質(zhì)墊片、方形金屬地板以及同軸饋電連接器共同構(gòu)成。

圖1 天線示意圖

圖2 天線剖面圖

金屬圓盤半徑r1、厚度h1，金屬單極子半徑r2、高度h2，它們加工為一個(gè)整體；金屬單極子中部有螺紋孔；聚四氟乙烯介質(zhì)墊片為一個(gè)類似“瓶蓋”的腔體結(jié)構(gòu)，半徑r3、厚度h3，中間有通孔使得同軸內(nèi)芯通過(guò)，其下部腔體尺寸可使得同軸連接器剛好深入其內(nèi)部；方形金屬地板中間有通孔使得連接器外導(dǎo)體通過(guò)；同軸連接器為市售產(chǎn)品，選用的是N型同軸連接器N-50KF-C，其特殊之處在于伸出的內(nèi)芯有螺紋，它可以直接穿過(guò)介質(zhì)墊片上的通孔與金屬單極子中部的螺紋孔旋擰在一起，從而使得整個(gè)天線成為一個(gè)整體。

在本設(shè)計(jì)中，天線金屬圓盤及金屬單極子是起輻射作用的最主要部件，用于向空間輻射電磁波。當(dāng)發(fā)射信號(hào)時(shí)，同軸連接器通過(guò)連接的同軸電纜輸入外接發(fā)射機(jī)的發(fā)射信號(hào)，同軸接頭輸出的能量激起金屬圓盤及金屬單極子上的表面電流，從而產(chǎn)生輻射；由于所采用的金屬單極子直徑較大，使得天線可以發(fā)射較寬帶寬范圍內(nèi)的垂直極化電磁波；由于金屬單極子頂端接入了金屬圓盤，這使得天線頂端的電流不為零，有效的實(shí)現(xiàn)了天線的小型化；由于介質(zhì)墊片為腔體結(jié)構(gòu)，分隔開天線的輻射結(jié)構(gòu)與金屬地板，使得同軸電纜能夠有效的激勵(lì)天線電流；金屬圓盤、金屬單極子及介質(zhì)墊片在結(jié)構(gòu)上均成中心軸對(duì)稱分布，可以使得天線在水平面360度范圍內(nèi)輻射場(chǎng)均勻分布。

3 主要結(jié)構(gòu)參數(shù)對(duì)于天線阻抗特性的影響

反射損耗是天線的一個(gè)重要性能參數(shù)，它決定了天線的阻抗特性。在設(shè)計(jì)過(guò)程中發(fā)現(xiàn)，影響該天線反射損耗性能的主要結(jié)構(gòu)參數(shù)為金屬圓盤半徑r1、厚度h1，金屬單極子半徑r2、高度h2。通過(guò)多組建模仿真，可以得到各個(gè)參數(shù)對(duì)于天線反射損耗的影響規(guī)律，以便于實(shí)際天線的設(shè)計(jì)實(shí)現(xiàn)。

3.1 金屬圓盤半徑r1對(duì)反射損耗的影響

作為最主要的輻射結(jié)構(gòu)，金屬圓盤的尺寸在很大程度上決定了天線的諧振頻率，圖3是針對(duì)不同的金屬圓盤半徑r1反射損耗隨頻率的變化曲線。隨著半徑的增大，天線的諧振頻率逐漸向低頻端偏移，與一般的單偶極子天線類似，輻射體尺寸與天線頻率呈現(xiàn)出相反的變化規(guī)律。

圖3 反射損耗與r1的關(guān)系 3.2 金屬圓盤厚度h1對(duì)反射損耗的影響

圖4是針對(duì)不同的金屬圓盤厚度h1反射損耗隨頻率的變化曲線。從圖中可以看出，金屬圓盤的厚度同樣會(huì)影響天線的諧振頻率，隨著厚度的增大，天線的諧振頻率逐漸向低頻端偏移，與金屬圓盤半徑類似，該尺寸的大小與天線頻率高低呈現(xiàn)出相反的變化規(guī)律。

圖4 反射損耗與h1的關(guān)系

3.3 金屬單極子半徑r2對(duì)反射損耗的影響

金屬單極子不僅是該天線的輻射結(jié)構(gòu)，同時(shí)它還作為過(guò)渡部件連接金屬圓盤及饋入電流的同軸連接器。圖5是針對(duì)不同的金屬單極子半徑r2反射損耗隨頻率的變化曲線。從圖中可以看出，該半徑不僅影響諧振點(diǎn)位置，還在很大程度上影響反射損耗的大小，如果該半徑過(guò)大，則反射損耗很大，即C波段在同軸接頭饋入天線的能量大部分都被反射，使得天線無(wú)法正常工作；從安裝角度考慮，若該半徑過(guò)小，則輻射結(jié)構(gòu)沒有辦法與同軸連接器的螺紋內(nèi)芯連接，所以在天線尺寸的設(shè)計(jì)上要綜合考慮天線性能及安裝結(jié)構(gòu)。

圖5 反射損耗與r2的關(guān)系

3.4 金屬單極子高度h2對(duì)反射損耗的影響

圖6是針對(duì)不同的金屬單極子高度h2反射損耗隨頻率的變化曲線。從圖中可以看出，金屬單極子的高度會(huì)在很大程度上影響天線的諧振頻率，隨著高度的增大，天線的諧振頻率逐漸向低頻端偏移，與普通單極子尺寸與頻率的對(duì)應(yīng)關(guān)系一致。

圖6 反射損耗與h2的關(guān)系

4 天線性能分析

在上述分析的基礎(chǔ)上，應(yīng)用仿真軟件HFSS對(duì)天線參數(shù)進(jìn)行了逐一的調(diào)整，最后得出了性能最優(yōu)結(jié)構(gòu)參數(shù)，最終天線地板以上的總體高度h1+h2+h3僅為最低工作頻率fL所對(duì)應(yīng)波長(zhǎng)的八分之一左右，現(xiàn)對(duì)其性能進(jìn)行如下分析。

4.1 天線的阻抗特性

前面已經(jīng)提到過(guò)，天線的反射損耗是一個(gè)重要性能參數(shù)，它反映了天線的阻抗特性。圖7給出了該C波段寬帶小型化全向天線反射損耗的結(jié)果。在fL ~ fH的頻率范圍內(nèi)，天線反射損耗的仿真結(jié)果均小于-10dB，這種全向天線阻抗特性良好，它具有45%左右的阻抗帶寬。

圖7 天線的反射損耗

4.2 天線的輻射特性

對(duì)于全向天線，增益特性是衡量其性能好壞的重要指標(biāo)，圖8是該天線的增益隨頻率的變化關(guān)系（fL ~ fH）。頻率在fL ~ fH范圍內(nèi)，增益變化范圍是3.5~6dB，變化幅度小于2.5dB，增益在頻帶內(nèi)較為穩(wěn)定；天線的方向圖是表征天線輻射特性與空間角度關(guān)系的圖形，圖9表示該天線在頻率分別為fL、（fL+fH）/2、fH時(shí)水平面方向圖的結(jié)果。在各個(gè)頻率上，該天線水平面近似全向輻射，不圓度小于2dB，方向圖穩(wěn)定性較好。

圖8 天線的增益

圖9 天線的方向圖 天線的拓展應(yīng)用

6 結(jié)論

本文所論述天線與現(xiàn)有技術(shù)相對(duì)照，其效果是積極和明顯的。天線的工作頻段為C波段，本身高度僅為最低工作頻率所對(duì)應(yīng)波長(zhǎng)的1/8左右；天線相對(duì)帶寬約為45%，在頻段內(nèi)可以良好的與50Ω同軸電纜匹配；天線在水平面360度的范圍內(nèi)輻射場(chǎng)均勻全向分布，不圓度小于2dB；此外，本天線結(jié)構(gòu)靈活，除了可采用方形地板，還可在一定尺寸范圍內(nèi)采用圓形或者異形地板，并且天線可以作為八木天線的有源振子使用，有效縮小八木天線的總體尺寸。