一種寬帶平面水平極化全向天線?

侯愛霞

(重慶科創(chuàng)職業(yè)學(xué)院人工智能學(xué)院，重慶 402160)

全向天線通常是指天線的方向圖在水平面內(nèi)是一個無方向性的圓，全向天線有水平極化、垂直極化和圓極化。垂直極化近似電偶極子的輻射，水平極化近似磁偶極子的輻射。通常垂直極化全向天線的實現(xiàn)較容易，有單極天線[1－2]、雙錐天線[3]等形式。由于磁偶極子并不存在，所以水平極化全向天線通常采用單元組陣來實現(xiàn)，常見的形式有:縫隙陣[4－5]，圓柱微帶陣[6－7]，旋轉(zhuǎn)場天線[8－10]，環(huán)天線及其變形等[11－13]。文獻(xiàn)[5]中的縫隙全向天線具有全向性好的優(yōu)點(diǎn)，但尺寸較大，匹配帶寬也較窄。文獻(xiàn)[6]為圓柱微帶陣，輻射方向圖具有良好的全向性，但是天線在實際生產(chǎn)加工中并不方便，尺寸較大。文獻(xiàn)[9]為旋轉(zhuǎn)場天線，該天線可以在很寬的頻帶內(nèi)保持輸入阻抗變化不大，但是，天線需要對兩端口正交饋電，饋電結(jié)構(gòu)復(fù)雜。環(huán)天線變形中常見的“苜宿葉”型天線[14]通過等效均勻電流環(huán)來實現(xiàn)全向水平極化輻射，但是此類天線由于饋電匹配較難，饋電結(jié)構(gòu)不對稱，全向性方向圖的圓度并不理想。

據(jù)研究，發(fā)射端和接收端都采用水平極化天線的系統(tǒng)比發(fā)射端和接收端都采用垂直極化天線的系統(tǒng)可以多獲得平均10 dB 的功率[15－16]。因此研究水平極化全向天線有著重要的現(xiàn)實意義。

本文提出一種新型寬頻帶寬波束水平極化全向平面天線，天線基于旋轉(zhuǎn)場天線原理，省去復(fù)雜的饋電網(wǎng)絡(luò)。由于Vivaldi 天線具有寬頻帶、端射等特點(diǎn)，4 個印刷的Vivaldi 天線旋轉(zhuǎn)后通過功分器與微帶線匹配結(jié)構(gòu)得到該水平極化全向天線。阻抗帶寬3.6 GHz～6.6 GHz(S11<－10 dB)，實測不圓度小于3 dB。半功率波束寬度不小于120°。

1 天線結(jié)構(gòu)設(shè)計

天線在滿足水平極化特性和全向輻射方向圖的同時，還具有一定的寬頻帶和平面化的優(yōu)勢，本文設(shè)計了工作頻帶為3.6 GHz～6.6 GHz 的正方形結(jié)構(gòu)的平面天線，結(jié)構(gòu)如圖1 所示。該天線由4 個旋轉(zhuǎn)的Vivaldi 天線與饋電網(wǎng)絡(luò)構(gòu)成。Vivaldi 天線指數(shù)函數(shù)設(shè)為:

圖1 全向天線結(jié)構(gòu)圖

4 個端射的Vivaldi 天線形成全向輻射，同時4個Vivaldi 天線的極化方向呈現(xiàn)水平旋轉(zhuǎn)，省去對饋電網(wǎng)絡(luò)的輸出端口相位正交的需求。饋電網(wǎng)絡(luò)只需要一分四功分器以及相應(yīng)匹配結(jié)構(gòu)，簡化了旋轉(zhuǎn)場天線復(fù)雜的饋電網(wǎng)絡(luò)，采用階梯型微帶線阻抗變換器，滿足寬頻帶的特性。天線印刷在方形的PCB上，通過SMA 在方形介質(zhì)板的中心饋電，介質(zhì)板采用FR4，介電常數(shù)4.4，厚度0.5 mm。采用電磁仿真軟件HFSS 對天線結(jié)構(gòu)參數(shù)進(jìn)行優(yōu)化，其優(yōu)化后的尺寸見表1。

表1 天線尺寸參數(shù)

2 原理與仿真分析

2.1 超寬頻帶Vivaldi 天線

Vivaldi 天線是一種典型的端射行波天線(Terminal wave antennas，TWAs)。它可制作為印刷型天線，有低剖面、輕質(zhì)量、易于安裝與集成等優(yōu)點(diǎn)。漸變槽線天線在阻抗帶寬方面有著顯著優(yōu)勢，并具有增益穩(wěn)定，方向圖對稱等特點(diǎn)，

傳統(tǒng)Vivaldi 天線采用微帶線耦合饋電，結(jié)構(gòu)示意圖如圖2 所示，天線的輻射方向是由較窄的槽線端過渡到較寬的槽線端，兩側(cè)槽線的電場沿著槽線且方向相反，磁場從一側(cè)指向另一側(cè)。槽線是按照式(1)指數(shù)變化，槽線終端為圓弧形短路狀態(tài)，用于調(diào)節(jié)阻抗。耦合饋電的微帶線結(jié)構(gòu)為實線部分，天線背面為指數(shù)漸變槽線，正面為終端開路的微帶線，微帶線與槽線相互垂直，重合處為耦合饋電點(diǎn)。

圖2 Vivaldi 天線工作原理圖

設(shè)指數(shù)漸變線內(nèi)電場沿x軸方向分布，b為漸變線寬度，漸變線內(nèi)的電場E可由下式得到

式中:

為了簡化饋電網(wǎng)絡(luò)與Vivaldi 天線的阻抗匹配，微帶線饋電端口阻抗設(shè)為100 Ω，通過調(diào)節(jié)微帶線特征阻抗和延長部分長度，以及調(diào)節(jié)短路槽線在微帶線另一側(cè)延長部分長度。通過HFSS 優(yōu)化后得到Vivaldi 天線的反射系數(shù)以及輻射方向圖如圖3所示。

如圖3(a)所示為Vivaldi 天線采用微帶端口饋電時反射系數(shù)的仿真結(jié)果，天線阻抗帶寬為3 GHz～15 GHz(dB<－10 dB)，圖3(b)呈現(xiàn)出端射輻射方向圖，H 面呈現(xiàn)寬波束特性，半功率波束寬180°。所以在組合后的全向天線同樣呈現(xiàn)寬波束特性。

圖3 Vivaldi 天線仿真結(jié)果

2.2 全向天線

由4 個旋轉(zhuǎn)的水平E 面方向圖組合為水平全向輻射，如圖4 所示。組合后的全向天線的H 面方向圖為Vivaldi 天線的H 面方向圖。

圖4 4 個Vivaldi 天線旋轉(zhuǎn)全向示意圖

如圖5 所示，四個旋轉(zhuǎn)的Vivaldi 天線采用一分四功分器饋電，Vivaldi 天線輸入阻抗為100 Ω，即功分器負(fù)載ZL＝100 Ω，由于功分器采用50 Ω 同軸饋電，故源阻抗Zs＝50 Ω，節(jié)點(diǎn)阻抗ZL1＝200 Ω，取輸入阻抗ZL1＝150 Ω。

圖5 功分器與微帶線匹配結(jié)構(gòu)圖

功分器與微帶線階梯阻抗匹配仿真結(jié)果如圖6所示，由于參數(shù)特性，數(shù)據(jù)是重合的。從仿真結(jié)果中可以看工作帶寬為3 GHz～6.5 GHz(S11<－10 dB)，微帶線階梯阻抗匹配的帶寬決定了全向天線的阻抗帶寬。

圖6 功分器的S 參數(shù)仿真結(jié)果

Vivaldi 天線與帶有阻抗變換的功分器結(jié)合在一起組成平面全向天線，仿真天線表面電流分布圖如圖7 所示，4 個Vivaldi 天線同相饋電時，帶有槽線的正方形表面的電流分布圖?？梢钥吹? 個Vivaldi 天線表面上電流首尾相接，形成了較均勻的同相環(huán)狀電流。其表面均勻同相電流分布等效電小環(huán)，因此形成了在垂直面“∞”字形、水平全向的輻射方向圖。

圖7 全向天線表面的電流分布圖

3 結(jié)果

如圖8 所示為測試與仿真S參數(shù)，全向天線的阻抗帶寬3.6 GHz～6.6 GHz(S11<－10 dB)。右下角為天線實物加工照片與測試照片。通過分析全向天線的阻抗帶寬主要由微帶阻抗變換器帶寬決定。實測結(jié)果與仿真結(jié)果偏差了100 MHz，造成這一結(jié)果的原因包括:實際接頭焊接引入寄生參數(shù)，導(dǎo)致匹配惡化；加工誤差導(dǎo)致天線頻率發(fā)生偏移。

圖8 全向天線反射系數(shù)

天線仿真的輻射方向圖如圖9(a)所示，測試歸一化后的方向圖如圖9(b)所示。天線在整個工作帶寬內(nèi)輻射特性和小環(huán)天線相似。天線在E 面上產(chǎn)生全向水平極化輻射的特性，不圓度良好。H 面產(chǎn)生“∞”字形輻射特性，在6.0 GHz～6.5 GHz 處由于Vivaldi 天線最大輻射點(diǎn)不在頂點(diǎn)，導(dǎo)致全向天線H 面的最大輻射方向不在水平方向上，6.5 GHz 時出現(xiàn)凹陷，故6 GHz～6.5 GHz 的E 面輻射方向圖出現(xiàn)波動，實際測試表現(xiàn)更為明顯，6.5 GHz 時實際測試E 面輻射方向圖的不圓度小于3 dB，導(dǎo)致方向圖不圓度惡化的原因主要包括接頭焊接點(diǎn)焊錫不對稱，導(dǎo)致能量分別配不均勻，以及PCB 阻焊綠油對輻射性能的影響。

圖9 全向天線方向圖

5 結(jié)論

本文設(shè)計了寬頻帶寬波束平面全向天線，基于旋轉(zhuǎn)場天線卻省去復(fù)雜的饋電網(wǎng)絡(luò)，天線結(jié)構(gòu)緊湊。該天線輻射水平極化波，E 面為水平全向的“O”字形，H 面為垂直面“∞”字形，實際測試全向天線阻抗帶寬3.6 GHz～6.6 GHz，Vivaldi 天線H 面具有寬波束特性，旋轉(zhuǎn)后形成全向天線在H 面上同樣具有寬波束特性，半功率波束寬度大于120°。該平面天線印刷在PCB 上，易于與系統(tǒng)集成與安裝。