寬波束天線技術(shù)綜述

柯晨希，李銘偉

（1.武漢理工大學(xué)，湖北 武漢430070；2.空軍預(yù)警學(xué)院，湖北 武漢430019）

1 引言

天線作為無線通信系統(tǒng)中重要的射頻前端組件，用于接收和輻射電磁波，實(shí)現(xiàn)電磁波與導(dǎo)行波的相互轉(zhuǎn)換。近年來，隨著民用無線電通信系統(tǒng)，軍用雷達(dá)、電子對抗等新型武器裝備的研制成功，寬波束天線技術(shù)得到了進(jìn)一步發(fā)展。

在衛(wèi)星定位、雷達(dá)探測、電子對抗等無線電通信系統(tǒng)中，為了確保信號(hào)傳輸質(zhì)量和傳輸速率，天線往往要具備很寬的波束寬度和較寬的頻帶[1]。同時(shí)，隨著現(xiàn)代無線電通信系統(tǒng)朝著小型化趨勢發(fā)展，天線的低剖面設(shè)計(jì)也是當(dāng)前的一個(gè)研究熱點(diǎn)。如何設(shè)計(jì)一款高性能的寬波束天線，是確保整個(gè)系統(tǒng)性能的關(guān)鍵。

本文總結(jié)了寬波束天線的發(fā)展現(xiàn)狀，介紹了幾種寬波速天線，并且根據(jù)當(dāng)前研究的熱點(diǎn)問題，提出對寬波束天線未來研究方向的展望。

2 寬波束天線的研究現(xiàn)狀

傳統(tǒng)的微帶天線的3 dB 軸比波束寬度（ARBW）約為70°～100°。在早期的無線通信系統(tǒng)中，傳統(tǒng)的四臂螺旋天線就可以做到這點(diǎn)，這是因?yàn)槠溥h(yuǎn)場方向圖波束寬度相對比較寬。但由于地板的制約，傳統(tǒng)的微帶天線波束不可能展到很寬。

為滿足實(shí)際運(yùn)用需求，人們對波束展寬技術(shù)的研究一直在進(jìn)行。至此，許多學(xué)者提出了許多展寬天線的軸比波束寬度的方法。雖然方式不同，算法各異，但技術(shù)思想一般都是在調(diào)整兩個(gè)正交場分量的遠(yuǎn)場波束形狀或波束寬度，在寬角度范圍內(nèi)保持它們的波束形狀幾乎相等[2]。按照工作原理，可以將這些方法分為以下幾類。

第一種方法為采用螺旋天線。通過使用螺旋天線，可以得到天線產(chǎn)生的圓極化電磁波，圓極化波的波束張角一般比較寬。該方法的優(yōu)點(diǎn)為螺旋天線質(zhì)量輕，成本較低，缺點(diǎn)是螺旋天線結(jié)構(gòu)較為復(fù)雜，需要進(jìn)行精細(xì)的加工[3]。

第二種方法為改變介質(zhì)板的特性。文獻(xiàn)[4]通過微帶天線在法線方向輻射最大，電磁波在介質(zhì)基片生成切向電廠的特性，通過增加最大介質(zhì)基片的面積拓展了波束寬度。這款天線的3 dB 軸比波束寬度可達(dá)180°，法線方向增益為2.7 dBi，在仰角僅為10°的情況下，增益也達(dá)到了0.5 dBi。利用該方法可以在不需要考慮天線尺寸的情況下大幅度展寬波束。

第三種方法為采用磁電偶極子。利用磁電偶極子輻射方向圖的互補(bǔ)特性，可以有效拓展天線波束寬度。文獻(xiàn)[5]設(shè)計(jì)了一款工作在1.6～2.47 GHz 的寬波束圓極化天線，該天線的優(yōu)點(diǎn)是可以單向輻射，輻射方向圖對稱等，其3dB 軸比波束寬度可達(dá)85°。

第四種方法為背部加載法。利用金屬腔體代替天線反射器，可生成具有寬波束和高前后比的單向輻射源方向圖[6-8]。文獻(xiàn)[7]研制了一種加載磁電偶極子的單饋背腔交叉偶極子天線。該天線將3dB 軸比波束寬度提高到了165°以上。

第五種方法為加載短路探針。引入附加的垂直電流分量至主輻射單元附近，可以產(chǎn)生更均勻的輻射圖[9-10]。文獻(xiàn)[9]設(shè)計(jì)了一種加載短路探針的圓極化天線，該天線由一個(gè)開槽的方形貼片和兩對短路探針組合而成。

文獻(xiàn)[9]經(jīng)過驗(yàn)證得出，該天線通過加載短路探針的方式不僅可以使諧振頻率下移，而且可以使3 dB 軸比波束寬度大幅度拓寬，最大可達(dá)188°。

第六種方法為采用十字交叉振子天線[11-13]。其中兩振子夾角為90°，其阻抗由長度和半徑確定。

由于十字交叉振子天線結(jié)構(gòu)并不復(fù)雜，在理想條件下可以認(rèn)為天線阻抗完全由兩個(gè)交叉振子決定。當(dāng)調(diào)節(jié)天線振子長度與半徑使得天線阻抗合適時(shí)，可以在天線內(nèi)形成兩個(gè)正交電流，電流相互垂直，相位相差90°，利用正交電流就可以在空間內(nèi)形成圓極化波，從而展寬天線波束。

除了以上常見的幾種方法外，文獻(xiàn)[14]通過加載導(dǎo)電壁縮小輻射口徑的方法將波束寬度展寬到了130°，文獻(xiàn)[15]通過順序旋轉(zhuǎn)輻射單元陣的方法將波束寬度擴(kuò)展到了126°。

以上介紹總結(jié)了一些天線波束展寬的技術(shù)。隨著無線電通信系統(tǒng)的發(fā)展，不僅對天線的波束寬度有要求，對天線的尺寸也提出了一些限制，同時(shí)，在性能方面還需要天線能夠工作在較寬的頻帶。因此天線的小型化與低剖面、寬頻帶等方面是學(xué)者們研究的方向，下面介紹寬帶寬、低剖面寬波束天線的幾種關(guān)鍵技術(shù)。

3 寬帶技術(shù)

為了節(jié)約基站成本，移動(dòng)通信系統(tǒng)一般做成寬帶系統(tǒng)。目前，寬帶技術(shù)主要可以分為以下幾種。

第一種為增大剖面。這種方法通過增加背腔縫隙天線的腔體深度和微帶天線的基板厚度達(dá)到展寬帶寬的目的。采取該方法需要注意，隨著天線剖面增大，會(huì)導(dǎo)致天線輸入阻抗的電感增大，這時(shí)一般需要采用電容補(bǔ)償饋電技術(shù)使天線輸入阻抗匹配[16]。

第二種為寄生單元加載。在天線結(jié)構(gòu)中，通過增加貼片或縫隙可以在主諧振頻率附近引入寄生諧振，但要求貼片或縫隙的尺寸與主輻射片相近且不同。采取該方法制作出的天線結(jié)構(gòu)是單層或多層的。單層的優(yōu)點(diǎn)是天線剖面不變，但橫向尺寸有所增大，而多層結(jié)構(gòu)剛好相反[17-18]。

第三種為增加匹配網(wǎng)絡(luò)。通過額外增加匹配網(wǎng)絡(luò)可以增加天線工作帶寬，該方法在天線改變后的工作頻帶一般不會(huì)高于匹配網(wǎng)絡(luò)自身的頻帶寬度。但由于增加了匹配網(wǎng)絡(luò)，存在損耗，一定程度上減少了天線輻射效率[19]。

第四種為改變天線結(jié)構(gòu)。因?yàn)樘炀€的帶寬和其Q值互為反比，所以通過改變天線結(jié)構(gòu)，降低天線Q值、從而達(dá)到展寬天線的工作頻帶的目的[20-21]。但是運(yùn)用這類方法，需要注意在改變天線結(jié)構(gòu)時(shí)不能過于影響天線其他工作性能。

利用以上技術(shù)，可以達(dá)到展寬頻帶的目的，避免了利用多副天線之間形成的互耦效應(yīng)，確保了通信質(zhì)量。

4 低剖面技術(shù)

在無人機(jī)等一些特殊的場景中，天線的體積一直是人們關(guān)注的。天線的體積決定了通信系統(tǒng)能否集成化、小型化。具有低剖面結(jié)構(gòu)的寬波束天線，有利于提高系統(tǒng)的機(jī)動(dòng)性和靈活性。目前常用的低剖面技術(shù)主要有以下幾種。

第一種為使用高介電常數(shù)的介質(zhì)基板。天線尺寸一般與工作波長成正比，使用高介電常數(shù)的介質(zhì)基板相當(dāng)于減小了電磁波在介質(zhì)基板中的工作波長，即達(dá)到小型化的效果。文獻(xiàn)[22]提出了一種低剖面的寬波束圓極化交叉偶極子天線。該天線使用介電常數(shù)為2.2 的金屬結(jié)構(gòu)作為地板，具有低剖面的性能，剖面僅0.13 個(gè)波長，達(dá)到了良好的小型化效果。

第二種為加載寄生枝節(jié)。通過加載寄生枝節(jié)可以使天線諧振頻率偏移或帶寬增大，從而減小天線的尺寸。文獻(xiàn)[23]中提出一種三模寬帶寬波束天線，在基于典型的倒L 型圓極化孔徑天線的地板上開縫，在低、中、高頻出分別可以得到TE11、TE21、TE31 模。將天線整體等比例縮小后，可以在地板上切角的帶較寬的帶寬和波束，相對于原來的倒L 型天線帶寬增加了71%，尺寸卻縮小了47%，實(shí)現(xiàn)了低剖面。

第三種為進(jìn)行容性加載。對天線進(jìn)行容性加載是有效的小型化方式。文獻(xiàn)[24]提出了一種小型化的可植入的寬波束天線。饋電點(diǎn)位置在介質(zhì)邊緣，通過在介質(zhì)四角開縫及在四邊開出彎折形槽線，使得天線諧振并展寬波束，經(jīng)過測試相較于普通的方形貼片天線，其尺寸減小了大約72%。

除了以上幾種方法外，在天線類型中存在非常多的特殊形狀，如PⅠFA 天線結(jié)構(gòu)，E 形天線結(jié)構(gòu)等。這些類型的天線在工作時(shí)的實(shí)際有效尺寸會(huì)大于物理尺寸，以此達(dá)到低剖面的目的。

5 寬波束天線的發(fā)展方向

從寬波束天線發(fā)展趨勢及通信系統(tǒng)面臨的各種挑戰(zhàn)來看。寬波束天線技術(shù)的發(fā)展將遵循以下幾個(gè)方面。

5.1 使用新材料

超材料是指自然界未知特性的材料和結(jié)構(gòu)的組合，例如電磁隱身、超材料波導(dǎo)、吸波材料等。超材料是近幾年發(fā)展起來的，當(dāng)前已成為熱門的研究課題。使用超材料的寬波束天線可以大大提高天線結(jié)構(gòu)的性能，可以設(shè)計(jì)出具有大幅增益、更寬帶寬以及獨(dú)特方向圖的寬波束天線，具有常規(guī)材料所缺乏的許多優(yōu)越特性，受到眾多天線設(shè)計(jì)師的青睞。

5.2 體積小型化

天線的小型化是永恒的發(fā)展方向。通信系統(tǒng)的小型化、集成化的發(fā)展趨勢注定了寬波束天線也一直會(huì)朝著小型化的方向發(fā)展。因?yàn)樘炀€性能與天線的尺寸密切相關(guān)，所以設(shè)計(jì)者們需要綜合考慮天線的尺寸和功能，這就需要廣大學(xué)者和設(shè)計(jì)者們進(jìn)行不斷的研究摸索。

5.3 功能模式智能化

未來通信設(shè)備是高度集成一體化的，天線將實(shí)現(xiàn)智能化的波束賦形、波束指向控制等功能。一套智能化的波束天線可以靈活滿足多種應(yīng)用場合。通過智能化調(diào)節(jié)寬束寬度，可以將天線資源靈活運(yùn)用，實(shí)現(xiàn)系統(tǒng)資源的優(yōu)化利用。

6 結(jié)束語

本文首先總結(jié)了寬波束天線的發(fā)展現(xiàn)狀，介紹了幾種寬波速天線。最后，根據(jù)當(dāng)前研究的熱點(diǎn)問題，提出對寬波束天線未來研究方向的展望。

根據(jù)本文分析可以看出，寬波束天線發(fā)展的速度是驚人的，基于實(shí)際應(yīng)用需求以及新材料、新技術(shù)的發(fā)展，可以預(yù)計(jì)將會(huì)有更多的新型天線問世，這必將推動(dòng)整個(gè)無線電領(lǐng)域更大的發(fā)展。