一种新型偶极子刀形机载天线

摘要：一般的偶极子天线频带比较窄，应用非常局限。本文在利用偶极子特性的基础上，结合工程实际，设计出了一种新型的平面印刷领结偶极子天线。通过实际测试，显示该天线在展宽后的频带上增益较高，可以承受大功率，工程实用性强。

关键词：宽带 领结偶极子天线 匹配电路

中图分类号：TN821 文献标识码：A 文章编号：1007-9416(2012)07-0077-02

偶极子天线是一种最基本的单元天线形式，自从无线电发明以来，应用非常广泛。简洁、高效的特征是偶极子天线得以普遍应用的主要原因，它既可以独立使用，又可以作为天线阵的组成单元，还可以用作复杂天线的馈源。但是偶极子天线不管是何种形式，其频带是很窄的，一般而言只有约1%～5%，这使其应用受到很大限制。目前已经发展了很多展宽偶极子频带的技术，形成了许多新型偶极子天线，比如锥天线、双偶极子天线等[1]。

现代偶极子天线的应用要求实现小型化、宽频带、高增益、隐蔽性强、与载体共形等特性。我们可以通过改变天线的结构、形状、材料等特性，对匹配电路进行优化设计，提高天线的工作性能。

偶极子天线设计的重点是展宽带宽，目前，展宽偶极子天线带宽的方法主要有：套筒加载、将天线轮廓设计为渐变结构、优化馈电巴伦等[2]。本文展宽偶极子的带宽没有采用常规的办法，找到了新的匹配方法。我们在偶极子天线基本原理的基础上，设计出了一种宽带领结偶极子刀形机载天线[3]，可用于民航或军用飞机上。该天线使用十分方便，可以安装在由复合材料制成的飞机的垂尾里面或者机翼里面。这样的天线不外伸，又与飞机蒙皮齐平，甚至可以与飞机共形。

1、偶极子天线简介

偶极子天线也称为振子天线，其得名来自于对称的两个振子——由馈电点中心平分天线两臂[4]。偶极子天线为平衡天线，即天线两极对称，它由两段同样粗细和等长的直导线排成一条直线构成，信号从中间的两个端点馈入，在偶极子的两臂上产生一定的电流分布，这种电流分布就会在天线周围空间激发起电磁场。偶极子的振子可以水平放置，也可以垂直放置，方向图以馈电点为对称中心。最简单的偶极子天线由导线组成，中心馈电，如图1。

对于窄带偶极子天线，常用相对带宽表示工作带宽即×100%，其中为中心频率，，天线参数变化不超过规定范围的最高工作频率和最低工作频率。

2、宽带领结偶极子天线的设计

根据偶极子天线的特性，结合工程实际，设计出的宽带领结偶极子天线内部电路如图2所示。阴影部分为辐射体，采用领结形辐射臂，改善了天线阻抗匹配，同时也扩展了工作带宽；黑色矩形内为匹配电路，这是此天线设计的重点；天线由同轴电缆为其馈电。把领结形辐射体印制在环氧板上，覆铜厚度为0.02mm，天线外形尺寸为320mm*130mm*8mm。

此天线的工作频段为机载飞机通信频段。若取领结偶极子天线的高度为，尺寸太大，外伸式天线不能使用，安装在垂尾里面也显得太大，所以选取天线的高度为，这个高度天线外伸式也可以用，装在机翼里面也可以用。

为了展宽带宽，除了设计出领结形辐射体外，还设计出振子的张角为，实验证明，此时带宽最宽。经实际测试和理论计算，得出高度为的领结偶极子辐射电阻=49，而高度为时的辐射电阻只有12，而且也很小，天线显容性。我们要用电感来匹配，电感的量值和安装位置是设计和调试过程的重点。

3、领结偶极子天线的等效电路

天线设计的目标是输出最大能量进出电路，需要仔细设计天线与自由空间以及电路的匹配，天线匹配程度越高，其辐射性能越好。

通常在天线终端用变换器或并联调谐电路来有效改善和提高匹配带宽，也可以采用集总电路元器件（变压器、电感器和电容器）或分布电路元器件（传输线），作为阻抗的变换或调谐电路的实现[5]。

领结偶极子天线匹配前的等效电路如图3（a），其值很小，可以忽略不计，但值不能忽略，需要用一个感性元件与之匹配。

经过大量的实验和仿真，使用新型感性元件后设计出的匹配电路和天线总的等效电路如图3（b）所示。

4、测试结果

对设计出的领结偶极子天线进行实际测试，天线在、、、频点处水平方向的方向图如图4所示。测试显示，此天线水平面方向图的不均匀度均小于2dB，其增益比同类同高度的天线高出1～2dB。经过功率容量测试，该天线能承受的功率可以达到100W。

图5为我们实测的领结偶极子天线驻波图，横坐标为，从图中可以看出在机载天线通信工作频段内，天线无反射板时驻波均在2.5以下，达到设计要求。而且实际测试显示，有无反射板对天线驻波影响不大。

5、结语

本文设计的领结偶极子刀形机载天线，经过多次试验，运用新的匹配方法，展宽了频带。该天线具有结构紧凑、馈电简单、易于制作等特点，而且有其自身优点，安装在复合材料制成的飞机蒙皮里面，可减少气动阻力和部分环境对天线的影响，具有工程实用性。

参考文献

[1]肖金祥,李国剑.双面印刷C形超宽带天线[A].2009年全国天线年会论文集（上）[C].2009年.

[2]李晋阳,张小苗,杨倩,赵旭东,王银行.带有新型寄生单元的印刷偶极子天线[A].2009年全国天线年会论文集（上）[C].2009年.

[3]John D. Kraus & Ronald J. Marhefka，章文勋译.天线（第三版）[M].电子工业出版

社,2006.8

[4]美国业余无线电转播联盟编,匡磊,刘燕北译.经典线天线设计[M].人民邮电出版社,2011.2

[5]匡磊,陈荣标等译.美国业余无线电转播联盟著.天线手册[M].人民邮电出版社,2009.7.