可重构类折合振子机载短波天线的研究

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短波无线电通信发展历史悠久,性能优良,其中远距离探测、较强的抗毁性以及无需中继的性能比较突出。由于机载短波天线特殊的工作环境,必须使其既满足在工作频带上实现较高的增益又要满足较小的尺寸、重量要求。而传统的机载短波天线低频段极低的输入阻抗导致部分频率调谐困难、匹配网络损耗高、天线总效率低等缺点。可利用可重构天线技术使机载天线具有可变电特性,不仅可以缩小机载设备体积、减轻重量,还能提高天线系统效率等性能指标。回线天线是位于飞机垂尾前缘的机载短波天线形式之一,天线安装于采用复合材料的飞机垂尾前缘且不破坏飞机气动性能。机载短波天线设计要求天线尺寸不能超过0.5m×0.5m×3m,工作带宽需覆盖2~30MHz,调谐后电压驻波比基本小于1.5,增益尽可能的大。当飞机在起飞、降落及飞行中的各种情况下,为了实现高质量远距离通信,天线方向图航线上不能出现较大的盲区,水平面方向图应为全向。本文提出了一种利用折合振子理论和可重构天线技术来提高短波回线天线参数性能的新方法,设计了一种由传统机载短波回线天线改进的可重构类折合阵子机载短波回线天线。基于Ansoft HFSS和ADS软件的仿真,分析了天线的阻抗匹配和效率,改进后的天线输入阻抗特性及天线系统总效率得到极大改善,通过实物加工测量验证了新型可重构机载短波天线的性能提升效果,满足飞机实现远距离高质量通讯的需求。我们从传统的机载短波回线天线出发,结合折合振子理论分析天线电流和输入阻抗,分别进行了导带加载和天线可重构化的改进。通过在回线天线竖直导体板间加载导带,改变天线电流分布,利用开关控制不同工作频率下接入天线的导带位置和数量,调节传输线模电流接近谐振状态,而天线模主要产生辐射,并提升输入阻抗来增大与匹配网络调谐后天线系统总效率,天线在宽频带上实现灵活的工作模式改变。对加载导带的尺寸、数量和位置以及控制开关状态调节优化得到了满足设计指标的天线。加工制作出可重构机载短波回线天线缩比实物模型,接入匹配电路调谐,与传统机载短波回线天线缩比实物模型比较,实验测试天线各项性能参数,实测结果与仿真结果基本一致,天线性能得到改善,证明了该方案的合理性和可行性。
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