趙春銳 陳星

四川大學(xué)電子信息學(xué)院，四川成都 610000

0 前言

在諸多通信領(lǐng)域，包括無線電視廣播、星載衛(wèi)星通信、地面移動(dòng)通信系統(tǒng)、室內(nèi)終端互聯(lián)等場合[1]，為了實(shí)現(xiàn)信號在水平方向的大范圍全面覆蓋，除了需要提高發(fā)射總功率，還需要使用高增益的全向天線。

為了實(shí)現(xiàn)高增益，傳統(tǒng)的全向天線一般采用微帶或同軸共線COCO（Coaxial Colinear）等形式[2]。文獻(xiàn)[3-6]中，微帶天線形式雖然容易通過增加輻射陣元的數(shù)量來提高天線增益，但是由于天線自身的物理結(jié)構(gòu)為扁平狀的介質(zhì)印刷基板，并非旋轉(zhuǎn)對稱的結(jié)構(gòu)，所以實(shí)現(xiàn)低不圓度方向圖要相對困難一些，并且，當(dāng)天線輻射單元增加到比較多時(shí)，天線整體的形狀為比較薄的細(xì)長條狀，且由于介質(zhì)基板的硬度不像金屬硬度那么高，容易發(fā)生彎曲變形。而對于文獻(xiàn)[7-8]中的COCO天線，一般被應(yīng)用在高頻或甚高頻的頻段。對于頻率更高的頻段，比如本文的5.8 GHz頻段，此時(shí)由于頻率的升高，天線的尺寸也隨之變得比較小，出于對加工精確度的誤差要求，普通的傳統(tǒng)機(jī)械加工較難取得一致性，很難實(shí)現(xiàn)低成本的大規(guī)模批量生產(chǎn)。

20世紀(jì)90年代初，平面波導(dǎo)CTS天線被發(fā)明[9-10]，這種平面CTS天線通過在平板波導(dǎo)上開一系列的橫向縫隙，并在開縫處增加矩形金屬輻射枝節(jié)實(shí)現(xiàn)電磁波的輻射，通過增加橫向縫隙的數(shù)量，可有效地提高天線的增益。但這種平面波導(dǎo)CTS天線的輻射方向圖并非是全向的，而是定向天線。本文將CTS技術(shù)應(yīng)用于同軸線上，設(shè)計(jì)了一支具有較高增益、饋電結(jié)構(gòu)簡單且易于調(diào)諧的，工作于5.8 GHz的水平全向輻射天線。該天線在結(jié)構(gòu)上具有加工簡單，牢固性好且制造成本低廉的優(yōu)點(diǎn)。在性能上，具有良好的阻抗帶寬和全向輻射特性，并能在水平面達(dá)到較高的增益，且魯棒性良好。

1 同軸CTS天線結(jié)構(gòu)及仿真分析

圖1是同軸CTS天線的縱截面和三維示意圖，天線由多個(gè)CTS輻射單元級聯(lián)組成，并在輸入端和終端對單元長度進(jìn)行了改變，以更好地進(jìn)行阻抗匹配，且天線終端短路。CTS單元的兩端為同軸線結(jié)構(gòu)，同軸線外導(dǎo)體中間截?cái)嚅_縫，內(nèi)導(dǎo)體裸露作為輻射源，電流在內(nèi)導(dǎo)體上流動(dòng)，所以天線極化方向應(yīng)與內(nèi)導(dǎo)體方向一致。使用該天線時(shí)，應(yīng)使其豎立起來，所以天線為垂直極化，并在截?cái)嗵幖虞d金屬圓盤，同軸線填充介質(zhì)為空氣，天線是全金屬結(jié)構(gòu)。

其中，a值為1.00 mm、b值 為2.50 mm、R值為20.00 mm、Ds值為27.75 mm、Dt值為49.75 mm、De值為10.00 mm、Df值為8.00 mm、n值為7。

圓盤具有減小單元間耦合的作用，同時(shí)影響天線的阻抗匹配。在同軸線內(nèi)傳輸?shù)腡EM模電磁波遇到截?cái)嗵幍慕饘賵A盤橫向枝節(jié)向TM0m模過渡，并在端口因不連續(xù)性而產(chǎn)生向自由空間的輻射。根據(jù)同軸線特性阻抗計(jì)算公式（1），此時(shí)的同軸線阻抗為54 Ω。天線的工作頻率由輻射縫隙的間距決定，根據(jù)工程經(jīng)驗(yàn)，縫隙間距Dt要略小于波長51.72 mm，同時(shí)，縫隙的寬度Ds約為二分之一波長時(shí)可以得到最小的反射損耗[11]。

其中，a、b——同軸線內(nèi)外導(dǎo)體半徑；

εr——填充介質(zhì)的相對介電常數(shù)。

首先對單個(gè)同軸CTS單元進(jìn)行仿真分析，同軸CTS單元如圖2所示，對于單個(gè)同軸CTS單元，能量從同軸線一段饋入，一部分能量由于阻抗失配反射回來，一部分能量通過輻射縫隙進(jìn)行，其余部分能量則傳輸至下一端口。同軸CTS單元是一個(gè)二端口網(wǎng)絡(luò)，設(shè)置兩個(gè)端口阻抗均為50 Ω，在給定單元總長度Dt為49.75 mm、圓盤半徑R為20 mm的情況下，對不同縫隙寬度Ds情況下的|S11|進(jìn)行仿真，結(jié)果如圖3所示。

由圖3可知，在其他參數(shù)不變的情況下，縫隙寬度Ds影響諧振頻率，Ds增大時(shí)諧振頻率上升；Ds減小時(shí)則諧振頻率下降，所以選取Ds值為27.75 mm，以獲得5.8 GHz頻率下最小的反射損耗，此時(shí)的縫隙寬度略大于二分之一波長，同軸CTS單元的輻射效率η如圖4所示，為21.4%。

從圖1的縱截面來看，橫截線（即金屬圓盤）部分可以視作一段傳輸線，根據(jù)傳輸線理論[12]，天線性能與圓盤半徑R緊密聯(lián)系。輻射縫隙部分場的模式變化受圓盤半徑的影響如圖5所示?？梢钥闯?，天線增益隨圓盤半徑R近似于周期性變化，且變化周期大概是二分之一個(gè)波長，這與傳輸線阻抗的二分之一波長周期相吻合，所以選取圓盤半徑大小為在第一個(gè)極大值點(diǎn)出現(xiàn)的附近，即R值為20 mm。

如果近似認(rèn)為每個(gè)CTS單元的輻射效率η相等，均為21.4%，則總輻射效率ηt與n的關(guān)系可以表示為：

其中，η——CTS單元的輻射效率；

n——CTS單元的個(gè)數(shù)。

該表達(dá)式的圖像如圖6所示。

根據(jù)圖6，n為7時(shí)，總效率ηt已經(jīng)可以達(dá)到85.4%，且單元數(shù)超過7之后，效率增長速率緩慢，故暫將同軸CTS天線單元數(shù)n確定為7，為了使阻抗匹配良好，終端采用短路形式。對終端短路枝節(jié)的長度Df進(jìn)行了仿真分析，如圖7所示。可以看出，終端短路枝節(jié)的長度影響著天線的阻抗匹配，根據(jù)仿真結(jié)果，選取Df值為8 mm較為合適，此時(shí)天線的諧振頻率恰好為5.8 GHz，且在該頻點(diǎn)下的|S11|為-29 dB。

同軸CTS天線終端短路，本質(zhì)上是串饋行波天線，天線增益與單元個(gè)數(shù)相關(guān)，但各單元輻射能量自輸入端到終端遞減，當(dāng)單元數(shù)提高至一定數(shù)量后再繼續(xù)增加單元，冗余的單元幾乎不再參與能量輻射，對天線增益提高的貢獻(xiàn)很小，并且過多的單元數(shù)會(huì)使得天線過于細(xì)長，很容易產(chǎn)生形變。從圖8和圖9中可以看出，天線增益隨單元數(shù)的增加而提升，但當(dāng)單元數(shù)為8時(shí)，增益提升效果減弱，并且天線的|S11|開始變差，這是由于改變了單元數(shù)導(dǎo)致天線阻抗變化，可以通過改變終端短路枝節(jié)長度Df等參數(shù)進(jìn)行調(diào)節(jié)，并且，天線總單元數(shù)過多會(huì)導(dǎo)致天線的總長度過長。出于對天線結(jié)構(gòu)的穩(wěn)定性和增加單元的輻射效率兩方面綜合考慮，選取單元數(shù)為7是比較合適的，此時(shí)的天線總長度為39.4 cm。

2 測試結(jié)果及分析

對上述設(shè)計(jì)的7單元級聯(lián)同軸CTS天線進(jìn)行了加工。為了固定天線，在實(shí)物上增加了一些固定件，包括若干個(gè)聚甲基丙烯酰亞胺（polymethacrylimide，PMI）泡沫和尼龍螺柱，其中泡沫用于固定同軸線內(nèi)導(dǎo)體，尼龍柱用于控制和定位CTS單元的間距，仿真驗(yàn)證表明，這些固定件對天線的性能影響很小。加工的天線實(shí)物圖如圖10所示。

使用安捷倫N5230A矢量網(wǎng)絡(luò)分析儀對天線的|S11|進(jìn)行測試，并在微波暗室中進(jìn)行了天線的方向圖測試。圖11為天線的|S11|仿真與測試對比圖。從圖中可以看出，實(shí)測|S11|曲線相對于仿真向左偏移，但在5.8 GHz仍低于-20 dB。

圖12為天線的遠(yuǎn)場H面與E面方向圖仿真與測試結(jié)果對比：仿真增益為11.1 dBi，實(shí)測增益12.1 dBi；仿真垂直面3 dB波束寬度為6.3°，實(shí)測值7.8°，實(shí)測最大不圓度為±1.3 dB。主要原因是加工和裝配時(shí)導(dǎo)致天線出現(xiàn)了變形，天線具有一定不圓度，也導(dǎo)致了實(shí)測增益值略高于仿真增益。

3 結(jié)束語

本文設(shè)計(jì)了一種具有較高增益的同軸CTS陣列天線，有7個(gè)輻射單元。在水平面提供非常好的全向輻射方向圖，增益高達(dá)12.1 dBi，并且沒有波束傾斜，由于加工誤差使得最大不圓度為±1.3 dB。此外，天線輸入阻抗為50 Ω，實(shí)測|S11|＜-10 dB的阻抗帶寬為6.2%（5.61～5.97 GHz），與仿真結(jié)果吻合良好。同時(shí)，該天線具有結(jié)構(gòu)簡單、加工制造成本低的優(yōu)點(diǎn)。這些特性使該天線成為無線通信系統(tǒng)（包括本地和中心基站）的一種良好選擇。