面向航电应用的多频段DME、TCAS与无线电高度计一体化天线设计与实现

《IEEE Open Journal of Antennas and Propagation》：Multiband Distance Measuring Equipment, Traffic Collision Avoidance System and Radio Altimeter Antenna for Avionics Applications

本文针对飞机通信系统中天线数量多、空间受限的问题，提出了一种集成距离测量设备（DME）、交通防撞系统（TCAS）和无线电高度计（RadAlt）功能的多频段天线。研究人员通过设计双馈和单馈多层结构，实现了L波段（0.954-1.272 GHz）的全向辐射和C波段（4.06-4.52 GHz）的定向辐射，并采用电磁带隙（EBG）结构抑制腔体内信号干扰。该天线具有低剖面、高增益（L波段＞5 dBi，C波段＞12 dBi）和低旁瓣（＜-40 dB）特性，经暗室测试和飞行验证，有效减少了机载天线数量，为软件定义航电系统提供了硬件支持。

　　

在现代航空电子系统中，天线是实现通信、导航和监视功能的关键部件。然而，随着航电设备日益复杂，飞机机身上需要安装的天线数量不断增加，导致空间布局紧张、电磁兼容性问题突出，并增加了飞机的重量和阻力。传统的做法是为每个系统单独配置天线，例如交通防撞系统（TCAS）需要上下机身各安装一个天线，距离测量设备（DME）和无线电高度计（RadAlt）天线则通常布置在机身下部。这种分散的天线布局不仅占用宝贵空间，还增加了安装和维护的复杂性。因此，研究能够集成多个频段功能的一体化天线成为航电领域的重要方向。

为解决上述问题，Omar M. Khan与Jean-Jacques Laurin在《IEEE Open Journal of Antennas and Propagation》上发表了一项创新研究，提出了一种适用于DME、TCAS、ADS-B（自动相关监视广播）和RadAlt应用的多频段天线设计。该天线通过单一硬件平台实现了L波段（0.954–1.272 GHz）的全向辐射模式和C波段（4.06–4.52 GHz）的定向辐射模式，显著减少了机载天线数量，为软件定义航电无线电架构提供了硬件基础。

研究人员主要采用了三种关键技术方法：首先，设计了基于环形短路钉的圆形金属腔体结构，通过电容耦合馈电和环形谐振增强L波段带宽；其次，在腔体内嵌入电磁带隙（EBG）层，有效抑制了C波段信号在腔体内的传播；第三，针对单端口配置开发了三维功率分配器，实现了L波段和C波段信号的共同馈电，并通过优化馈电结构参数（如腔体直径MD、短路钉位置VP和分配器外径FD）实现了阻抗匹配和辐射特性控制。天线设计基于多层介质基板（如Rogers 5880和Rexolite），并通过紧凑场和近场系统进行辐射模式验证。

天线设计

研究提出了两种天线配置：双端口和单端口馈电机制。双端口设计采用独立馈电结构，分别激励L波段腔体和C波段贴片阵列；而单端口设计则通过三维功率分配器实现共同馈电。L波段腔体由圆形金属贴片和12个短路钉构成，产生全向辐射模式，并通过调节腔体参数（如MD=182.4 mm、VP=63.5 mm）实现带宽优化。C波段部分采用2×2堆叠贴片阵列结构，结合环形EBG层（如金属层M7–M12）实现定向辐射和低旁瓣水平（＜-40 dB）。

EBG单元设计与分析

为解决单端口天线中C波段信号泄漏问题，研究在腔体内设计了蘑菇型EBG结构（单元尺寸AL优化至4.2–4.4 GHz阻带）。仿真表明，EBG层有效抑制了腔体内的表面电流传播，使RadAlt的10 dB回波损耗带宽从无EBG时的-3 dB改善至390 MHz（4.10–4.49 GHz），并恢复了定向辐射特性。

仿真与测试结果

天线在40 cm接地平面上进行测试，结果显示：单端口天线的L波段带宽达318 MHz（0.954–1.272 GHz），全向增益超过5 dBi；C波段增益达12 dB，旁瓣水平低于-40 dB。双端口天线因馈电偏移导致辐射模式不对称，而单端口设计通过中心馈电改善了对称性。飞行试验在塞斯纳172机身上进行， proposed天线在20海里斜距测量中表现优于商用DME天线（RSSI差值1.6 dBFS），高度测量误差在5000英尺高度时仅为100英尺。

结论与讨论

该研究成功解决了多频段天线集成中的关键技术挑战：通过三维功率分配器优化了单端口馈电的阻抗匹配；利用EBG结构抑制了跨频段干扰；实现了低剖面（19.3 mm）设计。与现有技术相比，该天线在带宽、增益和辐射模式控制方面均达到航电系统要求，为软件定义航电无线电的应用提供了硬件支持。未来工作可进一步扩展频段集成范围，并优化结构以适应更多航电场景。