王 波 梁 藝 李耀敏（中船重工集團(tuán)第七二二研究所武漢430079）

新型L頻段高增益全向天線?

王 波 梁 藝 李耀敏
（中船重工集團(tuán)第七二二研究所武漢430079）

設(shè)計(jì)了一種L頻段高增益全向天線，該天線由雙面輻射微帶陣列組成，通過平行雙線電磁耦合的方式有效展寬了工作帶寬，同時(shí)采用蛇形慢波饋線結(jié)構(gòu)，降低天線指向隨頻率變化的影響。文中給出了微帶陣列天線的設(shè)計(jì)方法，對(duì)提出的天線進(jìn)行仿真設(shè)計(jì)及優(yōu)化，并制作原型樣機(jī)進(jìn)行對(duì)比測(cè)試。結(jié)果表明，該型微帶陣列天線在工作頻段范圍內(nèi)滿足電壓駐波比（VSWR）小于1.5，天線反射損耗小于-10dB帶寬為12%，在工作頻段內(nèi)滿足最小增益為4dB，天線E面波束寬度在40°～43°之間，H面不圓度在1dB內(nèi)，滿足通信系統(tǒng)指標(biāo)要求，同時(shí)該天線具有結(jié)構(gòu)簡(jiǎn)單、易于工程實(shí)現(xiàn)的特點(diǎn)。

全向天線；平行雙線；蛇形慢波

Class Num ber TN 958

1 引言

全向天線廣泛應(yīng)用在一點(diǎn)多址通信系統(tǒng)中，其主要形式包括交叉串饋天線［1］、串饋套筒天線［2］、縫隙天線［3］、對(duì)稱振子天線［4］和印刷振子天線［5］，同軸共線（COCO）［6］天線作為早期全向天線的代表，被廣泛應(yīng)用到工程實(shí)踐中，從理論分析可知，采用交叉饋電形式將半波長(zhǎng)同軸線內(nèi)芯與外皮交叉連接，通過增加單元數(shù)量來實(shí)現(xiàn)COCO天線的全向高增益，不過由于這種天線自身的諧振結(jié)構(gòu)，帶寬成為制約其性能的關(guān)鍵參數(shù)，可以通過頂端加載方式［7］展寬其帶寬，但這樣天線增益受到了影響，且增加了天線的尺寸。套筒天線［8］頻帶比交叉饋電天線要寬，但是存在耦合縫隙的介質(zhì)支撐的強(qiáng)度和精度問題。波導(dǎo)縫隙天線工作在較高頻段，對(duì)于L頻段來說，其天線結(jié)構(gòu)復(fù)雜，調(diào)試較為困難。

微帶天線具有結(jié)構(gòu)簡(jiǎn)單緊湊、集成度高、容易匹配等優(yōu)點(diǎn)，對(duì)于微帶陣列天線而言，為了實(shí)現(xiàn)天線波束［9］的特定要求，天線陣需要特定的幅度相位分布。與傳統(tǒng)微帶天線陣的并聯(lián)饋電［10］相比，串聯(lián)饋電［11］可以顯著減小饋電網(wǎng)絡(luò)的復(fù)雜性，縮短網(wǎng)絡(luò)中微帶傳輸線的長(zhǎng)度，降低饋電網(wǎng)絡(luò)帶來的損耗，在固定波束和頻掃天線應(yīng)用廣泛。

本文設(shè)計(jì)了一種串饋全向偶極子天線陣列，綜合考慮微帶天線單元的輻射特性、天線互耦和阻抗匹配等因素，采用電磁耦合饋電的方式有效地展寬了全向印刷偶極子天線的工作帶寬，同時(shí)采用蛇形慢波線饋線結(jié)構(gòu)，降低天線陣的波束指向隨頻率變化的影響。

2 基本原理

串聯(lián)饋電［11］微帶貼片陣列是由將所有單元通過高阻抗傳輸線連接在一起組成的，并將功率從第一個(gè)單元饋入，沿線每個(gè)陣元都耦合一部分功率，剩下的小部分功率由終端匹配負(fù)載接收。串饋線陣每一個(gè)天線陣元都可以等效成一個(gè)四端口網(wǎng)絡(luò)，如圖1所示。

將串饋天線單元等效為并聯(lián)導(dǎo)納YL，傳輸線特性導(dǎo)納為Y0，其間距為一個(gè)導(dǎo)波長(zhǎng)λg，經(jīng)過第n個(gè)天線單元的電流幅度為In，第n個(gè)天線單元前總饋線上的電流為In1，從第n個(gè)天線單元前向陣列末端看的電導(dǎo)為Yn1，反射系數(shù)為Γn1，經(jīng)過第n個(gè)天線后總饋線上電流幅度為I(n+1)2，從第n個(gè)天線單元后向陣列末端看的電導(dǎo)為Y(n+1)2，反射系數(shù)為Γ(n+1)2，衰減常數(shù)為α，利用傳輸線公式天線導(dǎo)納和經(jīng)過天線單元電流為

計(jì)算從等效網(wǎng)絡(luò)的最末端開始，令I(lǐng)n=1，Y(n+1)2=0，便可得到考慮損耗后的各個(gè)陣元等效導(dǎo)納上的電流In。

串饋天線是一種窄帶的組陣方式，激勵(lì)的能量通過天線單元1的末端傳輸給天線單元2，依次類推，通過調(diào)整天線間串聯(lián)微帶線的長(zhǎng)度來控制天線單元的相位關(guān)系，從而形成空間能量疊加實(shí)現(xiàn)高增益。印刷振子長(zhǎng)度近似為λg/2，λg為介質(zhì)波長(zhǎng)，其值為：

其中λ0、εe分別為自由空間波長(zhǎng)和有效介電常數(shù)。有效介電常數(shù)滿足如下關(guān)系式：

當(dāng)天線波束指向在空間變化是，相鄰兩個(gè)陣元之間的相位差為空間相位差和饋線相位差之和。

對(duì)于側(cè)射陣，θ=0為陣列方向性最大方向，此時(shí)陣列天線單元相當(dāng)于同相激勵(lì)，陣列指向滿足：

因此d=λg，即單元間距為一個(gè)介質(zhì)中波長(zhǎng)，上式是串饋各向同性點(diǎn)源之間的距離公式，在實(shí)際中，天線單元的寬度也會(huì)影響陣元之間的相位差，所以一般通過仿真計(jì)算得出同相輻射時(shí)的單元間距，通常這個(gè)間距都要小于一個(gè)介質(zhì)中波長(zhǎng)。

3 天線仿真

微帶天線采用平行雙線對(duì)半波長(zhǎng)振子饋電，雙線與振子互相垂直，這樣可以減弱輻射振子與雙線之間的耦合，平行雙線給半波長(zhǎng)振子饋電時(shí)，雙線主要工作在主模TEM模。調(diào)整平行雙線的寬度和雙線間距離可以改變平行雙線的特性阻抗。天線結(jié)構(gòu)如圖所示，天線印刷在相對(duì)介電常數(shù)為2.65的介質(zhì)基板上，介質(zhì)基板厚度約為1.5mm。偶極子的兩臂印刷在介質(zhì)基板的同一面，在饋電時(shí)，引入了兩節(jié)起阻抗變換作用的平行雙線和漸變巴倫，為調(diào)節(jié)天線的阻抗匹配在饋線末端引入開路枝節(jié)。傳輸線末端的開路枝節(jié)可以等效為在饋電點(diǎn)處給端口的輸入阻抗引入一個(gè)電抗，可以調(diào)節(jié)天線阻抗匹配。偶極子之間的饋電槽線寬度約為2mm，由微帶線對(duì)槽線進(jìn)行耦合饋電。槽線與平行雙線間的耦合可以等效成一個(gè)理想變壓器。同時(shí)采用頂部加載的方法，在偶極子頂部添加寄生貼片，增加天線振子臂的寬度來提高天線的帶寬，由于寄生貼片的作用，能夠抑制天線的不對(duì)稱性對(duì)天線全向特性的影響，從而保證天線全向特性的同時(shí)增加天線的阻抗帶寬。同時(shí)采用蛇形慢波線饋線結(jié)構(gòu)，降低天線陣的波束指向隨頻率變化的影響。串饋天線陣列仿真模型如圖2所示。

利用HFSS對(duì)該模型進(jìn)行仿真，得到反射損耗隨頻率的變化曲線，從圖3可以看出天線在頻率范圍內(nèi)電壓駐波比小于1.5。

圖4 為天線方向圖仿真結(jié)果，該天線在工作頻率范圍內(nèi)實(shí)現(xiàn)了全向輻射，方向圖不圓度在1dB以內(nèi)。除較低頻率時(shí)主波束上翹外，主波束都在同一水平面上，天線E面波瓣寬度在40°~43°之間，天線增益約為4.3dB。

4 性能測(cè)試

根據(jù)仿真結(jié)果，制作了串饋耦合微帶陣列天線，采用耐磨、高強(qiáng)度的聚砜材料固定天線介質(zhì)基板，天線罩采用低損耗、高強(qiáng)度、高透波的玻璃鋼材料。圖5給出了天線模型的實(shí)物照片。天線的饋電端口與50Ω特性阻抗的SMA型同軸連接器直接相連。

利用矢量網(wǎng)絡(luò)分析儀對(duì)天線實(shí)物進(jìn)行了測(cè)試，圖6給出了天線的端口電壓駐波比實(shí)測(cè)結(jié)果。

與仿真結(jié)果相比，高頻段實(shí)測(cè)值有點(diǎn)頻偏，主要原因可能是仿真是沒有充分考慮SMA同軸連接器的影響，當(dāng)天線的端口與SMA同軸連接器相連接后，相當(dāng)于增加了地板的尺寸，這將會(huì)使各個(gè)諧振點(diǎn)位置產(chǎn)生偏移，但總的來說，實(shí)測(cè)結(jié)果與仿真結(jié)果較吻合。實(shí)測(cè)結(jié)果表明，天線最大VSWR ￡1.38，滿足指標(biāo)要求。

利用微波暗室系統(tǒng)對(duì)天線進(jìn)行方向圖測(cè)試，以下圖7為天線方向圖測(cè)試結(jié)果。

從測(cè)試結(jié)果可以看出，天線俯仰面（E面）波束寬度約為40°，水平面（H面）不圓度￡1.3dB，與標(biāo)準(zhǔn)天線暗室測(cè)試功率電平進(jìn)行比較，得到天線在工作頻段內(nèi)增益約為4.5dB。

5 結(jié)語

本文設(shè)計(jì)一種高增益全向微帶天線，采用電磁耦合的方式進(jìn)行饋電，實(shí)際制作了天線原理樣機(jī)并對(duì)其電壓駐波比和輻射性能進(jìn)行了測(cè)量。測(cè)試結(jié)果，串饋耦合微帶陣列天線具有良好的全向性，較高的增益，較寬的帶寬，同時(shí)具有結(jié)構(gòu)緊湊、易于加工、小型化等優(yōu)點(diǎn)，該天線各項(xiàng)性能達(dá)到預(yù)期指標(biāo)要求。

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New L-band Omni-directionalM icro-strip Array Antenna w ith H igh Gain

WANG Bo L IANG Yi L IYaom ing
（No.722 Research&Development Institute，CSIC，Wuhan 430079）

A new kind of omni-directional antenna at L-band with two-side radiating m icro-strip array is proposed and designed in this paper.By electromagnetically coupling of the parallelwire，thism icro-strip array antennas broaden the bandwidth effectively，in addition，the proposed antennas suggest the serpentine slow-wave feeding structurewhich help reducing the impact of frequency changes.The design method this micro-strip array antenna is presented and produced，the presented antenna is simulated and a prototype is optim ized for comparision testing.The results show that themeasured bandwidth vswr is less than 1.5 and the bandwidth is 12%with return loss less than-10dB.The antenna gain is larger than 4dB in the operation frequency band and the beam width in E-plane isabout 40°，The non-circularity of H-plane isabout 1dB.Themicro-strip array antenna can satisfy the needsofm icrowave communication system.In addition，the proposed antenna hasan advantage ofeasy fabrication.

omni-directionalantenna，parallelwire，serpentine slow-wave

TN 958

10.3969/j.issn.1672-9730.2017.05.014

2016年11月17日，

2016年12月23日

王波，男，碩士，工程師，研究方向：天線設(shè)計(jì)、波束設(shè)計(jì)。梁藝，女，碩士，工程師，研究方向：天線設(shè)計(jì)、數(shù)字信號(hào)處理。李耀敏，男，工程師，研究方向：天線設(shè)計(jì)、波束設(shè)計(jì)。