一種新穎的寬帶高增益車載全向天線

吳榮遠(yuǎn)，黃武裝

(中國電子科技集團(tuán)公司第七研究所，廣州 510310)

0 引 言

隨著射頻、數(shù)字技術(shù)的飛速發(fā)展，電臺工作帶寬越來越寬。國外某電臺工作頻率先后從225 ～400 MHz、225 ～450 MHz 擴(kuò)展為225 ～512 MHz，國內(nèi)有建議擴(kuò)寬為225 ～800 MHz。

隨著電臺工作頻率升高、工作帶寬增大，對天線的要求也越來越高。工作頻率越高，空間傳輸損耗越大，常規(guī)的單元寬帶天線增益低已不能滿足系統(tǒng)使用的要求，須用提高高頻端天線增益的方法來彌補高頻端空間傳輸損耗增加的不足。

多元直線組陣寬帶天線都是并聯(lián)饋電，采用在兩天線單元間加0.25λ0同軸扼流套的方法，抑制相臨的下天線單元頂部的輻射電流向上流動、上天線單元底部的輻射電流向下流動，并直接參加輻射來滿足天線頻帶寬度要求的。一般套筒天線僅能達(dá)到2 倍頻帶寬。

用Γ 匹配雙錐柱形天線作天線組陣單元。采用在兩雙錐柱形天線單元之間加同軸電纜扼流圈替代傳統(tǒng)的0.25λ0扼流杯，在天線底部加同軸電纜扼流圈的方法，完成了一種具有4 個倍頻程的超寬帶并聯(lián)饋電、兩元直線陣的小直徑垂直極化全向天線。

該天線可以作車載天線、升高架設(shè)天線、定向天線的輻射源天線使用。

用FEKO 軟件對本文所設(shè)計的兩對雙錐柱形天線結(jié)構(gòu)形式、天線陣組陣間距、同軸電纜扼流圈參數(shù)進(jìn)行了優(yōu)化、仿真計算，證明該結(jié)構(gòu)天線陣不僅增益高，且有效地克服了一般寬帶天線高頻端輻射圖主波瓣容易偏離水平面的不足。這種寬帶垂直極化全向天線，具有天線體直徑小、超寬頻帶和高頻端增益高的優(yōu)點。實測獲得了良好的輻射方向圖和電壓駐波比(VSWR)，實測的輻射方向圖與仿真值基本一致。

1 兩元寬帶雙錐柱形天線組陣設(shè)計

所介紹的這種兩元組陣高增益寬帶小型化天線，用雙錐柱形寬帶天線作組陣單元，采用并聯(lián)饋電方式饋電。用上天線單元饋電的同軸電纜，在上、下兩天線單元間繞制一個同軸電纜扼流圈。用該扼流圈抑制下天線上輻射體扼流杯和上天線下輻射體扼流杯，沒有抑制干凈的輻射電流沿饋電電纜直接參加輻射和在天線底部加同軸電纜扼流圈的方法來保證天線最大輻射始終保持在水平面上。采用Γ 匹配、電容耦合饋電方式給兩個雙錐柱形天線饋電來滿足天線陣的阻抗匹配要求。

1.1 雙錐柱形天線寬帶特性

雙錐對稱振子天線，由于兩臂對應(yīng)點間的距離與直徑之比是漸變的，因而其沿線各點的特性阻抗也是漸變的。如果振子天線的直徑與其相應(yīng)的兩臂間的距離保持為一個常數(shù)，則可認(rèn)為沿線各點的特性阻抗不變。當(dāng)天線體為無限長時，天線的輸入阻抗就等于振子的特性阻抗，天線輻射特性就與工作頻率無關(guān)了［1］。這時雙錐天線輻射方向圖、特性阻抗取決于錐的半張角寬度θ0，天線特性阻抗為［2，3］

歸一化方向函數(shù)為

雖然無限長雙錐天線不存在，但雙錐天線的確是一種理想的超寬帶天線結(jié)構(gòu)形式，其輻射方向圖帶寬可以達(dá)到5 ∶1。

雙錐天線不足之處是特性阻抗較小時天線錐端口尺寸較大。但采取多元并聯(lián)組陣時，需組陣天線單元具有高特性阻抗。選作為車載天線可以接受的天線輻射體直徑為45 mm，兩元組陣單元天線特性阻抗為250 Ω 設(shè)計了一種頂端為錐體，末端為柱體的雙錐柱形天線結(jié)構(gòu)，如圖1 所示。對圖1 雙錐柱形天線進(jìn)行仿真計算，結(jié)果與頂角為28°、長度為400 mm、錐末端直徑為100 mm 的雙錐天線的增益和匹配性能相比略差，但基本能滿足帶寬要求，且天線直徑縮小了一半，對天線小形化是非常有利的。

圖1 雙錐柱形天線

1.2 雙錐柱形天線饋電方式

本文介紹的兩元并聯(lián)饋電雙錐天線采用同軸Γ匹配饋電結(jié)構(gòu)、電容耦合方式饋電，結(jié)構(gòu)示意圖如圖2 所示。

圖2 雙錐柱形天線饋電示意圖

天線匹配是靠調(diào)節(jié)天線饋電阻抗匹配器的特性阻抗、Γ 饋電電纜芯線的長度和Γ 短路導(dǎo)體的短路位置來實現(xiàn)的。

1.3 天線組陣

一般多元直線組陣寬帶天線都是并聯(lián)饋電，靠在兩天線單元間加0.25λ0同軸扼流套的方法，抑制相臨的下天線單元頂部的輻射電流向上流動、上天線單元底部的輻射電流向下流動，并直接參加輻射來滿足天線頻帶寬度要求的。

用圖2 所示的Γ 匹配雙錐柱形對稱振子天線作組陣單元。在兩天線單元之間加用上天線饋電同軸電纜1 繞制的扼流圈3 替代傳統(tǒng)的0.25λ0套筒扼流杯，在天線底部加用饋電同軸電纜2 繞制的扼流圈1。用饋電同軸電纜1、2 在NQ-20-37x23x15 磁環(huán)上繞制的扼流圈2 的方法。完成了并聯(lián)饋電、兩元直線陣的小直徑垂直極化全向天線，天線構(gòu)成示意圖如圖3 所示。

圖3 兩元雙錐柱形天線陣

該天線具有近4 個倍頻程的超寬帶特性，天線的超寬帶輻射特性是靠優(yōu)化兩天線間的組陣間距、兩天線間的同軸扼流圈3 參數(shù)及天線底部同軸扼流圈2 的圈數(shù)來實現(xiàn)的。

天線匹配是靠調(diào)節(jié)兩天線饋電阻抗匹配器3 的特性阻抗、Γ 饋電電纜芯線的長度4 和Γ 短路導(dǎo)體的短路位置7 及合路器來實現(xiàn)的。

2 天線的仿真測試分析

利用FEKO 軟件對雙錐天線的寬帶特性進(jìn)行了仿真計算、優(yōu)化選圖1 雙錐柱形天線作天線組陣單元。圖1 所示的雙錐柱形天線和與圖1 雙錐柱形天線相同頂角、長度，錐末端直徑為100 mm 的雙錐天線的增益和匹配的仿真比較圖，分別如圖4、圖5 所示，參考阻抗為250 Ω。

從圖4、圖5 可看出，雙錐柱形天線增益和電壓駐波比帶寬比雙錐天線窄一些，但基本能滿足225 ～800 MHz 帶寬要求。

圖3 所示的由兩元雙錐柱形天線陣水平面增益仿真圖，如圖6 所示，雖然有凹點，但增益大于3 dBi主波瓣不分裂。兩元雙錐柱形天線組陣的車載天線垂直面仿真、實測方向圖，如圖7 ～9 所示。

從圖7 ～圖9 可以看出，仿真方向圖和實測方向圖形狀、天線增益基本相同，天線在(200 ～800 MHz)頻段內(nèi)VSWR≤3.2，如圖10 所示，證明該天線設(shè)計、優(yōu)化方法是可行的。該天線底部配有減震彈簧，為一種安裝在天線倒伏裝置上使用的超寬頻帶垂直極化全向車載天線。

圖10 實測車載天線VSWR

3 結(jié) 語

本天線用兩對雙錐柱形寬帶天線單元組陣，采用在給上天線饋電的同軸電纜繞制扼流圈及在下天線底部加同軸電纜繞制扼流圈的方法實現(xiàn)了在225 ～800 MHz 的工作頻帶內(nèi)天線輻射方向圖主瓣基本保持在水平面上輻射最大，改善了天線的輻射性能。該天線不僅可作車載天線、固定架設(shè)全向天線使用，也可作角形反射器定向天線輻射體用。作全向天線使用時天線增益達(dá)到3 ～6.5 dBi，作90°角形定向天線輻射體使用時天線增益達(dá)到6 ～13 dBi。天線具有良好的帶內(nèi)匹配特性(VSWR≤3.5)。該天線為一種較為理想的VHF/UHF 超寬帶小形化全向天線。

［1］王元坤，李玉權(quán). 線天線的寬頻帶技術(shù)［M］. 西安:西安電子科技大學(xué)出版社，1995.

［2］ 吳榮遠(yuǎn)，曾百華，黃武裝. 一種新型VHF 雙頻寬帶高增益全向天線［J］. 中國電子科學(xué)研究院學(xué)報，2011，6(3):308-310.

［3］吳榮遠(yuǎn)，曾百華. 一種新型VHF/UHF 雙頻寬帶車載全向天線［J］. 中國電子科學(xué)研究院學(xué)報，2011，6(4):420-423.

［4］WERNER P L. Design Synthesis of Miniature Multiband Monopole Antennas with Application to Ground-Based and Vehicular Communication Systems［C］//IEEE Antenna and Wireless Propagation Letters，2005.