一种机载通信天线设计与实现

STGing · 发表于 2022-6-28 09:16

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针对某型飞机研制需求，提出了一种基于四分之一波长平面单极子的机载通信天线设计方案。采用辐射体切角、分布参数加载、支节匹配和倒L型加顶等技术，展宽了天线的工作频带，提高了天线的有效高度；利用底盘导电阳极化、电搭接和安装避雷器等措施，增强了天线的闪电防护能力。通过地面电性能测试和实际装机试飞验证，表明了该机载通信天线设计合理、性能良好，满足某型机的装机要求，达到了能够完全取代现役英国37R-2型通信天线的目的。
关键词：机载天线；平面单极子天线；匹配网络；天线测试

目前，我国生产的某型飞机以其良好的飞行性能获得了国际民用航空部门的认可，在民用航空市场很受欢迎。该型飞机一直使用英国37R-2型通信天线，但该天线引进手续繁琐、价格昂贵、维护费用高，因此，迫切需要研制出一种新型机载通信天线以取代37R-2型通信天线。要求该天线的频段范围为116MHz～152MHz，电压驻波比不大于2.5：1，增益为-5～+3dBi，水平面内为全方向性（不均度不大于3dB）。
众所周知，机载通信天线的设计原理均源于直立单极子天线，为了满足机载天线垂直极化、全方向性，外形流线型设计的要求，通常将为其设计为马刀形，即将直立单极子天线进行了平面化处理。鉴于此，本文提出了一种基于四分之一波长平面单极子的天线设计方案。该方案主要考虑以下设计要素：
（1）天线辐射体设计，采用聚四氟乙烯玻璃纤维敷铜板片状导体作为辐射体，为了展宽天线频率范围和提高天线有效高度，进行了辐射体切角、支节匹配和倒L型加顶。
（2）匹配网络设计，采用感性加载和分布参数加载等技术。
（3）闪电防护设计，采用了避雷器、电搭接、底盘导电阳极化等技术措施。
该天线具有频带宽、全方向性、迎风面小、匹配性好等特点。通过电性能试验以及装机飞行试验，证明了该天线各项技术指标均满足某型飞机设计要求，完全能够取代现役英国37R-2型通信天线。

1、天线辐射体设计
1.1 平面单极子天线原理
由于单极子天线的带宽很窄，为了弥补这一缺憾，需要采取必要的措施来展宽频带。展宽天线阻抗带宽的方法较多，常用的方法是在矩形平面单极子上添加切角和短路支节。
从传输线理论讲[1-2]，矩形平面单极子天线切角后，它就可以等效为多段水平传输线，距离馈电口越远，传输线的特性阻抗越大。由此，可以把切角天线看成是不同特性阻抗传输线的级联，这种级联形成的阻抗变换线有助于在较宽的频率范围内实现天线的阻抗匹配，即展宽天线的工作带宽。
另外，采用短路支节也可以有效地展宽天线带宽。具体方法是：在单极子的一侧添加短路支节，通过调整支节参数（长度、宽度、高度等）使天线该侧的负载阻抗接近于0，从而构成天线的另一谐振回路，该谐振回路所产生的谐振频点，即为天线新的工作频点。

1.2 印制板线路设计
通常，马刀形机载通信天线的辐射体大都采用印制板线路。所谓印制板线路，是以绝缘板为基材，切成一定尺寸，其上至少附有一个导电图形，并布有孔（如元件孔、紧固孔、金属化孔等），用来替代以往装置电子元器件的底盘，并实现元器件之间的相互连接，这种布线板即是印制板线路。机载天线辐射体采用的是聚四氟乙烯玻璃纤维敷铜板，天线的印制板线路就是在覆铜板上腐蚀或者电刻出来的。
对单极子天线而言，其线上的电流近似直线分布，天线顶端电流接近于零，其有效高度是实际高度的一半，这是因为天线顶端与地之间的电容很小，容抗很大的缘故。为了增大天线顶端与地之间的电容，使天线顶端电流不再为零，可以采用加顶负载技术，使垂直天线上的电流分布比较均匀，从而提高天线的有效高度[3-4]。
本文所设计的印制板辐射体设计为四分之一波长的平面单极子天线，即高度为四分之一中心波长和宽度为十分之一中心波长的印制板片状导体。为了展宽天线带宽并提高天线的有效高度，这里采用了三种技术手段，一是在天线辐射体左侧添加了一条短路支节线，如果在短路支节线的末端增加恰当的匹配网络，可以将天线频带扩展到更宽；二是在印制板馈电部分的左右两侧设计了合适的切角，形成一种渐变线；三是将辐射体设计成倒L型，由于倒L型的水平部分很短，所以它的辐射作用很弱，对天线的方向性影响也很小，可以认为只起到加顶的作用。综合上述几种技术措施，将通信天线的辐射体设计成片状折叠天线，如图1所示。

为了便于理解，可根据折叠振子天线原理，将天线辐射体分解成一粗直径的振子天线和一短路支节线，片状折叠振子天线线路示意图如图2所示，其等效电路如图3所示。

要分析该天线的阻抗特性，可先由折叠振子天线原理进行分析，然后再讨论天线的加载情况。大家知道，折叠振子天线是属于单极天线的一种，但在实际应用中，由于机体镜像的作用，整个天线的辐射特性已经发生了变化。机载天线装机后，飞机机体就相当于一个大地，而垂直安装的折叠振子天线由于镜像作用，其电流分布、方向图、输入阻抗等特性就相应发生了变化，此时，真实的折叠振子天线和镜像的折叠振子天线就形成了对称天线，因此，天线装机后，它的电磁特性分析应该依据对称天线原理来进行分析。当天线不高时，垂直面的方向图近似半个8字形，随着天线的高度逐渐加大，辐射能量逐渐向地平面方向集中，当天线高度超出0.5λ时，开始出现副瓣。

2、匹配网络设计
2.1 匹配网络分析
所谓匹配，即设法在传输线终端附近额外产生一个反射波，使它恰好和负载所引起的反射波等幅反相彼此抵消，这个过程就叫匹配。实现天线匹配的方法有两种，一种是反射波吸收法，即利用铁氧体隔离器等将不匹配负载所产生的反射波全部或者很大部分都吸收掉，而使信号源到隔离器之间基本处于行波状态；另一种是电抗补偿法，即在传输线中适当加入纯电抗的器件，使得它所产生反射波与原线中从负载所反射的波等幅反相彼此抵消，从而达到匹配。由于电抗补偿法具有匹配装置不损耗能量、传输效率高的优点，一般机载通信天线的匹配方式都采用后者[5]。
对单极子天线而言，不管加顶电容或接入电感线圈，统称之为天线加载。前者称为容性加载，后者称为感性加载。为了展宽工作带宽，也有采用电阻加载的天线。加载可以采用集中元件（如电容、电感和电阻），也可以采用分布加载，这些加载即构成天线的匹配网络。
具体问题具体分析，文中通信天线是四分之一波长的平面单极子天线。根据传输线理论，四分之一波长的开路线相当于一个串联谐振电路，故其整个负载是呈纯电阻性的。但是，由于天线实际尺寸限制，天线的高度只是中心工作频率波长的四分之一，因此它不可能谐振在所有工作频率上。根据传输线理论，长度小于四分之一波长的倍数的天线其阻抗呈容性，这时天线不产生谐振，因此，我们要在天线上加载一个电感来进行平衡，从而使天线在整个频段内发生谐振。
基于上述分析，本文通信天线的匹配加载应为感性加载，即在天线加载点加入一定数值的感性器件，抵消在加载点所呈现的部分容性，增大加载点以下部分的天线电流，从而达到增加有效高度、提高辐射阻抗、增强辐射效率的目的。