一種雙金屬板加載的水平極化全向天線*

高國明，陳文俊，袁 洪，簡 玲

(中國船舶重工集團(tuán)公司第七二四研究所，南京 210003)

0 引言

水平極化全向天線的輻射方向圖在水平面內(nèi)是一個無方向性的圓，它廣泛應(yīng)用于通訊廣播、雷達(dá)信標(biāo)和敵我識別等領(lǐng)域。由于磁偶極子并不存在，所以水平極化全向天線需要靠方向圖疊加形成全向輻射。

微帶全向天線因其易加工、輕重量、低成本等特點(diǎn)而得到廣泛研究，比較典型的方法有:(1）非水平共面組合天線，如圓柱共形微帶天線［1］、方形微帶貼片陣［2］;(2）水平共面組合天線，如Alford 環(huán)天線［3］、印刷偶極子方形陣［4］和印刷偶極子圓形陣［5］。第2 種類型天線的單元全部蝕刻在微帶板上，具有制作精度高且重量輕的特點(diǎn)。

1 全向天線設(shè)計

本文設(shè)計的雙金屬板加載水平極化全向天線如圖1，整個天線包括頂端金屬反射板、全向微帶天線、聚四氟乙烯介質(zhì)柱和底端金屬反射板。每根介質(zhì)柱由兩截組成，與微帶天線接觸的一端有一個介質(zhì)法蘭，全向微帶天線夾在上下介質(zhì)法蘭之間并用螺釘固定。介質(zhì)柱的另一端插入金屬板安裝孔中固定，上下金屬板的厚度均為2 mm。

圖1 全向天線結(jié)構(gòu)示意圖

微帶天線部分如圖2所示，由介質(zhì)板、4個微帶偶極子和饋電網(wǎng)絡(luò)組成。4個微帶偶極子均勻蝕刻在介質(zhì)板圓周上，每個微帶偶極子的兩臂分別位于介質(zhì)板的上下層，偶極子終端采用弧形結(jié)構(gòu)。微帶板直徑為87 mm。微帶偶極子通過寬帶的平行雙線饋電，保證了天線工作帶寬。連接平行雙線的兩臂反相饋電以提高天線交叉極化性能［5］。

圖2 微帶部分結(jié)構(gòu)示意圖

為避免4個偶極子并聯(lián)時總線和各支線的線寬差異過大，饋電網(wǎng)絡(luò)采用兩級一分二功分器組成:兩根平行雙線并聯(lián)后變換至微帶線，再將兩根微帶線并聯(lián)與阻抗為50 Ω的同軸連接器相連。

天線的工作原理為:單個微帶偶極子的E 面波瓣為“8”字形，通過在圓周上均勻環(huán)布4個偶極子使方向圖疊加形成全向輻射。由于天線頂端和底端分別有金屬板，調(diào)整頂端和底端金屬板的尺寸可以改變波瓣仰角。

2 仿真結(jié)果

首先仿真上、下金屬板直徑均90 mm的水平極化全向天線，它的波瓣最大值位于水平面內(nèi)。天線端口駐波仿真曲線如圖3，可見在10%的相對頻帶內(nèi)駐波小于1.5。圖4為仿真的天線中心頻點(diǎn)(2.85 GHz）方位面(E 面）波瓣圖，天線增益高于2.3 dB、增益起伏小于1 dB，交叉極化電平低于－30 dB。圖5為天線中心頻點(diǎn)的俯仰面(H 面）波瓣圖，可見波瓣最大值位于水平面內(nèi)。

圖3 全向天線端口駐波

圖4 全向天線方位面方向圖

保持上方金屬板直徑不變，將天線下方金屬板直徑增加到200 mm后，天線中心頻點(diǎn)的俯仰面波束指向調(diào)整至60°。俯仰面波瓣圖如圖6。

圖6 指向?yàn)?0°的全向天線俯仰面方向圖

3 測試結(jié)果

加工的水平極化全向天線上、下金屬板直徑均為90 mm。天線端口駐波測試圖如圖7所示，饋電電纜從天線下方金屬板的通孔穿過。測得的天線端口駐波曲線如圖8，可見在設(shè)計頻帶內(nèi)端口駐波小于1.7。

圖7 全向天線駐波測試圖

圖8 實(shí)測天線端口駐波

將天線豎直放在暗室遠(yuǎn)場測試轉(zhuǎn)臺上測得方位面(E 面）波瓣圖如圖9，低頻波瓣起伏較大，約2.1 dB。在方向圖測試中發(fā)現(xiàn)全向天線的支撐結(jié)構(gòu)和周圍吸波材料擺放位置改變時，對方位面波瓣圖的起伏影響較大。測試俯仰面(H 面）波瓣時需要將天線傾倒，天線極化方向變?yōu)榇怪睒O化。測得俯仰面波瓣圖如圖10，天線俯仰面波束對稱性良好。

圖9 實(shí)測天線方位面波瓣圖

圖10 實(shí)測天線俯仰面波瓣圖

4 結(jié)束語

本文設(shè)計的雙金屬板加載水平極化全向天線具有以下優(yōu)點(diǎn):利用平行雙線饋電展寬了天線單元帶寬;兩級功分網(wǎng)絡(luò)減小了饋線的阻抗范圍從而降低加工難度;雙金屬板加載提高了天線增益且容易調(diào)整俯仰面波束指向，同時提高了天線頂端和底端的抗干擾性能。實(shí)測的天線方位面波瓣起伏值在低頻較大，這需要通過改進(jìn)天線設(shè)計和改善測試環(huán)境來減小。本天線適合應(yīng)用于廣電通信、電子對抗等領(lǐng)域。

［1］Immanual Jayakumar，Ramesh Garg，Sarap B K，Bhagwan Lal.A conformal cylindrical micro-strip array for producing omnidirectional radiation pattern［J］.IEEE Trans.on Antennas and Propagation，1986，34(10）:1258-1261.

［2］李碩.水平極化全向(高增益）通訊天線的設(shè)計和研究［D］.成都:電子科技大學(xué).電磁場與微波技術(shù)系07 級碩士論文.

［3］John D Kraus，Ronald J Marhefka.天線(第三版）［M］.北京:電子工業(yè)出版社，2000.

［4］錢嵩松，李興國.一種由漸變縫隙天線構(gòu)成的等效全向天線［J］.微波學(xué)報，2006，22(2）:41-44.

［5］馮祖建，張立新，孫紹國.水平極化全向天線的設(shè)計［J］.微波學(xué)報，2008，24(6）:60-64.