曾礫堂，石 磊，柴建寧，張君鵬，楊登泰，彭 麟

（1.中國人民解放軍93119部隊，甘肅 酒泉 735000；2.桂林電子科技大學，廣西 桂林 541004）

0 引言

錐狀波束天線與一般定向天線（如筆狀波束天線）的方向圖最大不同在于其波束在孔徑的法線方向上為零點，因此其最大輻射方向與法線成一定傾角，并且波束具有圓周對稱性。錐狀波束天線的輻射特性使其獲得廣泛的應用，如彈載數(shù)據(jù)鏈、近炸引信、地面衛(wèi)星通信終端、移動通信以及無線局域網(wǎng)通信等系統(tǒng)。

為實現(xiàn)錐狀波束，眾專家學者提出很多的設計方法。文獻[1]采用背部饋電的微帶形式和金屬過孔實現(xiàn)錐狀波束，并應用混合拓撲優(yōu)化算法實現(xiàn)最優(yōu)化，天線帶寬約7.8%，最大增益為7.8 dBi。文獻[2]通過在中心饋電的正方形貼片天線的對角線上對稱引入4個金屬化通孔實現(xiàn)錐狀波束，該天線的帶寬達到17.8%，最大增益為6.6 dBi。文獻[3]為使容性加載的單極子設計實現(xiàn)錐狀波束，使用較大的地板反射面，天線帶寬約為9.9%，最大增益約7.49 dBi。文獻[4]使用中心饋電的貼片天線和8個被縫隙圍繞的短路銷釘實現(xiàn)錐狀波束，天線帶寬約為19.4%，且該天線適用于有極大地板的環(huán)境。文獻[5]結合漸變型單圓錐、彎折短路金屬柱、錐型金屬腔和同軸饋電結構等實現(xiàn)錐狀波束，雖然天線的阻抗帶寬達到118.5%，但是其結構復雜，加工難度較大。文獻[6]通過在方形空氣腔上加工4個L形縫隙實現(xiàn)錐狀波束，天線帶寬約2.17%，最大增益為3.21 dBi。文獻[7]將倒F天線組成陣列實現(xiàn)錐狀波束，天線帶寬約11.2%，最大增益達到12.7 dBi。文獻[8]將多個微帶準八木天線組成陣列，并將該陣列與彈體曲面共形，從而獲得錐狀波束，天線的帶寬約為12.2%，最大增益為2.8 dBi。文獻[9]利用傳輸陣列來調(diào)節(jié)喇叭天線的口面相位，從而在12.5 GHz的設計頻率下實現(xiàn)錐狀波束，天線的增益為9 dBi。

基于以上研究，文章提出新型中心饋電圓形貼片錐狀波束天線，通過加載零階諧振器達到展寬帶寬的目的。該天線制作在厚度為0.508 mm、相對介電常數(shù)為2.2的Rogers 5880基板上。介質(zhì)基板的正面是一個中心饋電的圓形貼片，背面是金屬地板，通過4個金屬過孔將圓形貼片與金屬地板相連，以減小天線的面積。為避免天線帶寬因天線面積減小而降低，將4個零階諧振器加載到圓形貼片上。由于4個零階諧振器嵌入圓形貼片內(nèi)部，天線的尺寸并沒有增加，但是天線的帶寬由4.86%增加到12.8%。該天線具有良好的錐狀波束特性，而且在頻段內(nèi)的輻射特性十分穩(wěn)定。

1 天線結構設計及演變

文章所設計的錐狀波束天線具有結構簡單、尺寸小、帶寬大等優(yōu)點。為突出該天線的優(yōu)點，圖1展示了天線的結構及演變。其中，天線1為典型中心饋電圓形貼片錐狀波束天線，天線2為基于短路銷釘?shù)闹行酿侂妶A形貼片錐狀波束天線，天線3為所提出的零階諧振器加載的錐狀波束天線。這3個天線均制作在相對介電常數(shù)為2.2、厚度為0.508 mm的介質(zhì)基板上，而且皆工作在K波段。圖1中，天線1的輻射貼片為圓形，貼片直徑達到11.8 mm；天線2在天線1的基礎上加載4個短路銷釘，從而將貼片直徑減小到5.5 mm；天線3在天線2的基礎上加載4個零階諧振器，由于零階諧振器被加載到圓形貼片的內(nèi)部，天線的尺寸變化不大，直徑為5.9 mm。但是，零階諧振器會引入1個新的諧振，從而展寬天線的帶寬。

圖1 天線結構及演變示意圖

2 天線結果與分析

天線1、天線2和天線3的阻抗匹配曲線如圖2所示。由圖2可知，采用中心饋電圓形貼片的天線1諧振為22.8 GHz，其-10 dB阻抗帶寬為1 100 MHz。雖然與天線1相比，天線2的直徑從11.8 mm減小到5.5 mm，但是其諧振頻率并沒有升高，反而降低到了22.1 GHz。天線2的-10 dB阻抗帶寬為1 300 MHz，可見采用4個短路銷釘加載的天線2不但比天線1尺寸大大減小，其阻抗帶寬也有所增加。加載到天線3的零階諧振器使天線增加1個新的諧振，其帶寬也大大增加。天線3的兩個諧振頻點分別為21.5 GHz和23.4 GHz，其-10 dB阻抗帶寬為2 900 MHz。相比天線2，在天線直徑幾乎不變的條件下，零階諧振器的加載大大展寬了天線的帶寬。3個天線的主要阻抗特性如表1所示。

表1 天線的主要阻抗匹配特性

圖2 天線1～3的阻抗匹配曲線

從表1可知，通過使用短路銷釘，天線2的尺寸遠小于天線1，而且阻抗帶寬也由天線1的4.86%提高到5.87%。對于天線3，通過增加零階諧振器，其相比天線1和天線2增加了1個諧振點，形成雙諧振，從而將天線的帶寬增加到12.8%?？梢?，相比于天線1和天線2，天線3在尺寸和帶寬上都有很大的優(yōu)勢。

圖3為天線3在兩個諧振頻點的輻射方向圖。由圖3可知，天線3具有良好的錐狀波束特性，其在21.5 GHz和23.4 GHz的E面方向圖形狀十分相似，最大輻射方向都指向36°，最大增益約為5 dBi，在21.5 GHz和23.4 GHz的H面方向圖的圓度特性良好?？梢?，它不僅具有良好的錐狀波束特性，而且在頻段內(nèi)方向圖穩(wěn)定性良好。

圖3 天線3的方向圖

3 結語

文章提出一種新型的寬帶錐狀波束天線，通過加載零階諧振器，有效拓展天線的帶寬，且使天線在整個頻段內(nèi)具有優(yōu)良的錐狀波速特性。零階諧振器和短路銷釘?shù)倪m用大大減小了天線的尺寸，并具有地剖面特性，剖面僅為0.508 mm。這種天線結構可以應用于衛(wèi)星通信終端和飛機等需要風阻較低的平臺。