一种倒F振子在共形阵列天线中的应用

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摘 要:提出一种新型的倒F振子天线结构。通过使用圆形金属片电容加载以及短路钉的电感加载,得到宽带小型化天线单元。采用广义传输线理论(GTLM)分析了天线的结构形式,给出设计实例,并介绍了该天线单元在飞行载体上柱面共形阵列天线中的应用。在以往柱面共形阵列天线的研究中,阵列波束大部分为垂直于共形面方向的能量辐射,而这里提出的柱面共形阵列天线设计方案着重于可产生平行于共形面的能量辐射。

关键词:倒F天线;加载;共形阵列天线;GTLM

中图分类号:TN82 文献标识码:A

文章编号:1004-373X(2009)21-060-03

Application of New Type Inverted-F Antenna in Conformal Antenna Array

JIANG Yonghui,XIE Yongjun,XU Tingwei

(National Laboratory of Antennas and Microwave Technology,Xidian University,Xi′an,710071,China)

Abstract:A new type of inverted-F antenna is introduced.The requirement of small sizee and wide frequency bandwidth are abtained by loading the capacitance elements of circular metallic pans and the inductance elements of shorting stub.Structure of the antenna using GTLM is analysed.An example is presented which is used in the conformal array antenna on the airplane.In the past research of cylinder conformal array,most of the array beam radiate in the direction of perpendicular to conformal surface,the new scheme of cylinder conformal array can achieve radiate energy parallel to the surface.

Keywords:inverted-F antenna;load;conformal array antenna;GTLM

0 引 言

随着现代无线通讯技术的发展,天线的小型化及宽频带等特性是主要的发展趋势。以飞行载体作为安装平台的天线对以上两种特性具有更为严格的要求,这是因为运载平台受运动力学、电磁兼容等因素的影响,不可能为天线提供较为充足的安装空间;无线通讯中,信道容量不断扩充,必然要求天线的工作频带随之展宽。

倒F天线(IFA)是一种低轮廓、结构简单的天线[1],其辐射电场含有强度较大的垂直极化分量,而垂直极化也是目前无线通讯中的主要极化方式,所以倒F天线有广泛的应用领域。在已有研究倒F天线的文献中,为了提高天线的工作带宽,在天线方向图特性基本不变的前提下,采用的方法形式多样:利用三个寄生的倒L单元拓展带宽[2];使用弯曲的短路线路径获得宽频带[3];通过提高平板高度以及调节馈电点位置提高带宽[4]。这些方法均对展宽工作频带有一定作用,不足之处是增大了天线体积及实现难度,不利于天线的小型化和工程化。

本文论述了一种应用于柱面共形阵列天线的平面倒F天线单元。该单元属于一种变形倒F天线,采用圆形金属薄片式的电容加载,以及短路钉的电感加载,具有较小的体积以及较宽的工作频带。本文应用广义传输线理论,定性地分析了该天线结构,介绍了天线单元在柱面共形阵列天线中的应用,并给出了单元和阵列天线的仿真结果。

1 天线结构与等效电路分析

1.1 天线形式

倒F天线可以看作倒L天线的变形结构,本设计采用的倒F天线单元结构及具体尺寸如图1和表1所示。

单元主体结构由以下几部分组成:单元介质支撑、馈电支杆、短路支杆、功分网络介质层(与馈电微带线共用)、馈电微带线,具体结构如图1所示。单极子单元的加载电容由单元介质支撑上表面的圆形金属镀层实现,可使用铜镀层加镀锡镀层,此结构可实现加载电容功能,也可便于加工过程中的焊接工作,支撑介质采用接近空气介电常数的泡沫材料加工。短路支杆的作用是为了给单极子加载并联电感,使其与加载电容构成LC谐振电路,短路支杆接地于功分网络接地金属镀层,即与功分网络共地。短路支杆为金属圆柱,一端与单元介质支撑金属镀层焊接,一端与功分网络接地金属镀层焊接,整个短路支杆镶嵌于单元介质支撑中。馈电支杆同样为金属圆柱,贯穿于单元介质支撑和功分网络介质层,一端与单元介质支撑金属镀层焊接,一端与馈电微带线端口焊接。

表1 天线单元具体尺寸 mm

标示D1D2D3D4H1H2H3

尺寸45.635.8641121

图1 倒F振子单元

1.2 倒F阵子的等效分析

已有文献对于倒F振子的分析主要有矩量法的数值分析如FDTD,MoM,以及其等效分析方法如传输线模型分析方法和腔模法模型分析方法[5],本文简要介绍传输线模型分析方法。该天线辐射边缝的辐射导纳为Ys=Gs+jBC,短路支杆的等效电感为jBL,其等效传输线模型如图2所示。

图2 倒F振子单元等效电路图

根据等效模型电路图,设馈电点向短路支杆看去的输入导纳为Y1,向辐射边缝一方看去的输入导纳为Y2,馈电处的总输入导纳为Yin,可得:

Y1=Y0(jBL)+jY0tg(βL1)Y0+j(jBL)tg(βL1)

(1)

Y2=Y0(Gs+jBC)+jY0tg(βL2)Y0+j(Gs+jBC)tg(βL2)

(2)

Yin=Y1+Y2

(3)

2 天线单元设计仿真结果及分析

以图1的结构参数为基础,利用有限元电磁仿真软件Ansoft HFSS可以得到该天线单元的各项电气性能,如图3所示。

如图3中曲线所示,在1 GHz中心频点处回波损耗小于-10 dB的带宽大约为13%,相比于矩形贴片倒F振子的最大5%带宽[6],有较大的扩展。另外,在体积上,谐振频率在1 GHz左右的矩形贴片倒F振子大小大约为\:65 mm×95 mm,而本天线单元半径为22.8 mm,满足天线小型化的要求。

图3 天线单元回波损耗随频率变化曲线

在共形阵列中,不仅仅需要垂直于共形面方向的能量辐射,某些情况还需要平行于共形面的能量辐射。在图4所示天线坐标系下f=1 GHz,θ=0°的切面,可以得出垂直极化辐射方向图,如图5所示。

图4 天线单元坐标示意图

图5 天线单元垂直极化方向图

3 倒F振子在柱面共形阵列天线中的应用

由于该倒F振子具有剖面低,体积小,易于馈电等优点,可以组合成与载体平台共形的阵列天线。以下介绍该振子在某柱面平台上构成的共形阵列天线。该柱面为Φ=360 mm的金属圆柱体的外表面,阵列单元内嵌于柱面凹槽内,凹槽深度为15 mm,阵列有两列端射线阵组成,每列线阵由两个倒F振子单元组成。单元馈电采用威尔金森功率分配器连接馈电微带的形式,功率分配器采用陶瓷片加工,根据单元的结构位置和波束要求进行布局设计。功分网络的底板也是阵列的地板,且为了便于馈电支杆的连接,底板上打有通孔,以使馈电支杆穿过。上述结构极大地缩小了体积并可形成和差两种波束。该阵列天线简图如图6,图7所示。

图6 阵列天线外形简图

图7 振子单元及功率分配器透视图

该柱面共形阵列天线的水平面(平行于阵面的切面)垂直极化辐射方向图以及功率分配器端口的回波损耗仿真结果如图8,图9所示。

由图8所示可知,阵列和方向图方向性系数为5.1 dBi,波束宽度为68°,差波束零深在-30 dBi以下;在74°的波束覆盖范围内,和波束电平大于差波束电平。该天线波束性能在对接天线领域有较大应用,可以较大地提高天线波束搜索范围。

图8 阵列天线和差波束方向图

图9 功率分配器端口回波损耗随频率变化曲线

图9是功率分配器端口回波损耗频率响应曲线(因阵列中两个线阵结构完全对称。图中只显示一条曲线)。由曲线可知,由于功率分配器的阻抗匹配作用,回波损耗在400 MHz的带宽内小于-10 dB,远远优于单元的回波损耗特性;由于阵列单元互偶作用以及环境影响改变了输入阻抗随频率的变化规律,曲线的不规则性比较明显。

4 结 语

本文介绍了一种新型倒F振子天线单元,考察了其电性能指标,并论述了该振子单元在柱面共形阵列天线中的应用。该天线单元具有小型化以及宽频带特性,其组成的柱面共形阵列天线也具备良好的电性能,具有广泛的工程应用前景。

参考文献

[1]Fujimoto K.小天线[M].俱新德,肖良勇,译.北京:国防工业出版社,1991.

[2]Nakano H,Suzuki R,Yamauchi J.Low-profile Inverted-F Antenna with Parasitic Elements on an Infinite Ground Plane Microwaves[J].Antennas and Propagation,IEEE Proceedings,1998,145(4):321-325.

[3]Chan P W,Wong H,Yung E K N.Wideband Planar Inverted-F Antenna with Meandering Shorting Strip[J].Electronics Letters,2008,44(6):395-396.

[4]Hua-Ming Chen,Yi-Fang Lin.Experimental and Simulated Studies of Planar Inverted-F Antenna Antenna Technology[A].Small Antennas and Novel Metamaterials,IWAT 2005\.2005:299 - 302

[5]Zhu Qi,Fu Kan,Liang Tie-zhu.Analysis of Planar Inverted-F Antenna Using Equivalent Models[A].Antennas and Propagation Society International Symposium\.2005,3A:142-145.

[6]Chen H M,Lin Y F,Cheng P S,et al.Parametric Study on the Characteristics of Planar Inverted-F Antenna[J].Microwaves,Antennas and Propagation,IEEE Proceedings,2005:534 - 538.

[7]Duixian Liu,Gaucher B.The Inverted-F Antenna Height Effects on Bandwidth\.Antennas and Propagation Society International Symposium\.2005,2A:367-370.

[8]魏文元,宫得明,陈必森.天线原理[M].西安:西北电讯工程学院出版社,1985.

[9]林昌禄.天线工程手册[M].北京:电子工业出版社,2002.

[10]Tae-Hyun Kim,Sung-Wan Kim,Jae-Deuk Lee,et al.Analysis of Radiation Patterns of Inverted-F Antenna on a Cylindrical Conducting Body like a Satellite Launcher\.Microwave Conference Proceedings,APMC 2005\.2005(2):4-7.

作者简介 蒋永辉 男,1979年出生,硕士研究生。主要从事电磁散射,微波电路设计等方面的研究。

谢拥军 男,1968年出生,教授,博士生导师。主要研究方向为计算微波与计算电磁学,微波通信,电磁兼容及电波传播特性等。

徐挺威 男,1984年出生,硕士研究生。主要从事天线工程,微波电路设计等方面的研究。