基于串并聯(lián)結合饋電的高增益垂直極化全向天線

王 琛，徐慧娟，楊龍，周文濤，王娜

(1.航天系統(tǒng)部裝備部軍代局駐成都地區(qū)軍代室，四川 成都 610036；2.中國人民解放軍63620 部隊，甘肅 蘭州 730000；3.西南電子技術研究所，四川 成都 610036)

0 引言

隨著現(xiàn)代無線通信技術的飛速發(fā)展，具有穩(wěn)定的全向波束覆蓋能力的垂直極化全向天線越來越受到人們的重視[1-4]。然而它們中的大多數(shù)很難同時滿足寬帶寬、高增益、結構緊湊、簡單可行的饋電網(wǎng)絡等要求，大大限制了其應用范圍。

通常，垂直偶極子和單極子是最常見的垂直極化全向天線[5-6]。然而，它們的窄帶寬和有限的增益仍然是未來應用的挑戰(zhàn)。通過將長同軸電纜的內外導體互換，同軸共線天線可以獲得10 dB[7-8]以上的增益，但是阻抗帶寬往往較窄(小于10%)。然后，學者提出了一種全向平面微帶天線[9]和一種全向平面縫隙天線[10]，它們分別由一系列交替布置在每個結合處的微帶天線段和一系列刻蝕在兩條平行帶線上的矩形環(huán)槽組成，雖然它們可以達到6 dB 以上的高增益，但是它們的阻抗帶寬都小于10%，而且它們的波束方向對工作頻率很敏感，導致不穩(wěn)定的輻射方向圖。文獻[11]中的平面垂直極化全向天線采用背靠背的印刷偶極子單元排列獲得較高的增益，但帶寬僅為5.5%。在文獻[12]中，采用非對稱偶極子和寄生條可實現(xiàn)雙頻帶寬，相對帶寬分別為20.2%和21.3%，它在兩個頻帶的增益都在6.5 dBi 以上。在文獻[13]中，學者提出了一種新型的垂直極化全向天線，該天線采用3 個單元，每個單元由三維偶極子和寄生偶極子垂直安裝組成，每個單元與與相鄰單元呈120°夾角，使阻抗帶寬超過30%，增益從5.7 dB 增加到8.0 dB。文獻[14]提出了一種非對稱U 形柱寬帶全向天線陣列，采用非對稱U 形柱天線激勵附加諧振模式，其工作帶寬可超過30%。然而不足的是，文獻[12]-[14]中的這3 個天線的良好性能均以犧牲橫向尺寸為代價，造成龐大而復雜的幾何形狀。

本文提出了一種采用串并聯(lián)結合饋電的寬帶高增益垂直極化全向天線。首先，研究了易于組陣的常規(guī)印刷偶極子天線形式并對單元進行了設計。在此基礎上，設計了串聯(lián)饋電的四元串饋陣列，并將兩個四元串饋陣并聯(lián)起來，通過微帶網(wǎng)絡從中心連接處饋電，由此獲得了所設計的天線。在設計中對陣列的演變形式及陣列的性能進行了分析。最后，將金屬支撐與并聯(lián)饋電網(wǎng)絡對稱設計，實現(xiàn)良好的饋電和改善方向圖的不圓度。

1 天線設計與分析

圖1 所示為基于串并聯(lián)結合饋電的高增益垂直極化全向天線的整體結構圖。該天線印刷在介電常數(shù)為2.65、損耗角正切為0.002 的介質基板兩面。介質基板高度為275 mm，寬度為24 mm。陣列從中點可以分為上下兩個四元串饋陣列，通過微帶線從中點位置給上下兩個四元串饋陣列并聯(lián)饋電。為減小饋線對陣列偶極子的影響，在陣列+x 軸方向引入一個金屬支架以支撐微帶介質板，同時將下陣列的y 軸方向兩個對稱偶極輻射臂間的距離變大，以最小程度減小金屬支架對輻射的影響。為保證方向圖的對稱性，在-x 軸方向也引入一個對稱的金屬支架。微帶饋線印刷在微帶介質板上并往下端延伸以連接同軸電纜。

1.1 天線單元設計

印刷偶極子天線因其結構緊湊、重量輕、易于加工制作和輻射性能穩(wěn)定等優(yōu)點廣泛用于高增益陣列天線設計中。根據(jù)饋電方式的不同，常用的印刷偶極子天線有的以下幾種形式，如圖2 所示：圖2(a)為微帶線饋電方式，該方式饋電簡單，易于調試，但微帶地板橫向尺寸較大，容易與偶極子臂耦合，從而影響天線性能；圖2(b)為平行雙線饋電，這種結構簡單且為平衡饋電形式，相比微帶線饋電其饋線寬度更小，不易干擾振子臂的輻射；圖2(c)為耦合饋電方式，可以用于增加偶極子的阻抗帶寬，但是其不容易實現(xiàn)天線組陣。為實現(xiàn)較小的橫向尺寸且有利于組陣，故選取圖2(b)所示的平行雙線饋電方式的印刷偶極子作為陣列的基本輻射單元。

1.2 陣列的演進

為描述這種串并結合的高增益陣列天線形式，圖3展示了其演化過程。首先，圖3(a)為一種常見的串聯(lián)饋電的偶極子陣列天線，陣列為四元陣，從最下端端口饋電，陣間距按中頻時方向圖最大波束指向為水平面時設計，即為25 mm≈0.65λ0≈λg。由于平行雙線上電流隨頻率變化的特性，低頻時到達振子上的電流相位依次超前，導致低頻方向圖下傾，同樣原理高頻時方向圖則上翹；然后，將其復制并旋轉180°，演變?yōu)閳D3(b)所示的雙串聯(lián)偶極子陣，這樣做的好處是通過兩個陣列的疊加，可以彌補方向圖在工作低頻端和高頻端方向圖的下傾和上翹帶來的增益損失，下面部分會詳細闡述其疊加過程。最后將兩個串饋陣組合成一個從中心并聯(lián)饋電的陣列，這樣便構成了串并聯(lián)結合的陣列，如圖3(c)所示。

圖4 給出了圖3(b)所示的兩個串聯(lián)陣列單獨饋電和同時饋電時的疊加方向圖。當在中心頻率7.9 GHz時，上下陣列單獨饋電時方向圖最大指向均在水平面，故其疊加方向圖也在水平面；當天線工作頻率偏離中心頻率時，上下陣列單獨饋電時方向圖最大指向偏離水平面，分別下傾和上翹，但其疊加方向圖的最大指向仍在水平面。需要說明的是，低頻時陣列的電尺寸較小，故單獨的四元串饋陣列的波瓣寬度較大，故疊加后在最大方向仍然有較多能量。高頻時單獨饋電的四元串饋陣列雖然由于電尺寸較大導致波瓣寬度較小，但疊加后易導致主波束附近產生較大的副瓣。

1.3 串并結合饋電

從上述對兩個串聯(lián)陣列單獨饋電和同時饋電時的疊加方向圖的分析中可以看到，這種串并聯(lián)結合的形式可以克服單獨串聯(lián)饋電方向圖指向隨頻率變化的問題，因而可以用來設計高增益的全向陣列。但是，如圖3(c)所示，該饋電方式需要在陣列中心饋電，同軸饋線的走線是需要解決的問題。傳統(tǒng)的設計方法是將同軸線直接貼在平行雙線延伸到底端，但是經研究發(fā)現(xiàn)，由于該陣列工作頻率較高，同軸線的一部分電流會沿著外導體外壁流動到平行雙線，從而擾亂平行雙線上平衡電流的傳輸，導致天線的輻射性能惡化。因此本節(jié)設計了如圖1所示的用天線架支撐的微帶網(wǎng)絡實現(xiàn)天線的饋電。為保證方向圖的對稱性，在-x 軸方向也引入一個對稱的金屬支架。

研究發(fā)現(xiàn)，有無金屬支架、金屬支架存在時其與陣列的距離對陣列的性能影響較大，下面將對無金屬支架和有金屬支架時不同的距離的情況進行討論，按天線中心頻 率7.9 GHz 時的波長λ0，對d 的值分別為0.1λ0，0.2λ0和0.3λ0的情況下天線在水平面的增益和不圓度進行了計算，如表1 所示。

表1 不同d 值情況下天線的最大、最小增益和不圓度 (dB)

從表1 可以看出，當陣列取掉金屬支架并從陣列中心理想饋電時，天線在水平面的不圓度較差，能量主要分布在±x 方向，在±y 方向能量較??；當加上金屬架后，天線的不圓度反而變好，說明金屬支架相當于一塊反射板，可以使能量重新分配。因此，金屬支架距離陣列的距離應該合理優(yōu)化。當d=0.2λ0時，天線在全頻帶有大于8 dB 的最小增益和小于2 dB 的不圓度。當偏離此距離時，天線的不圓度均會惡化，天線不圓度惡化的主要源頭金屬支架的距離影響能量的重新分布，非最優(yōu)的距離d 主要導致水平面最小增益變小。

2 天線仿真及測試

為了減小地面對天線性能的影響，在上述陣列的下端加長了300 mm 的長度以架高天線。為實現(xiàn)天線防水、防鹽霧等要求，在陣列外面加上天線罩，天線罩選取玻璃鋼管。為便于安裝，在天線最下端設置了法蘭盤。根據(jù)仿真優(yōu)化并結合天線的工程應用，最終加工了天線樣機如圖5 所示。天線最大直徑為26.5 mm，天線高度為600 mm。為保證較小的天線橫向尺寸，天線的金屬支架到陣列距離為7.6 mm。

利用矢量網(wǎng)絡分析儀Agilent E8363B 對天線實物的電壓駐波比(VSWR)進行了測試，圖6 給出了天線實測電壓駐波比。天線電壓駐波比的實測結果表明，天線電壓駐波比小于2 的阻抗帶寬為13%。

在微波暗室中對天線的輻射特性進行了測試，圖7 是仿真結果和對實物天線測試得到的E 面和H面方向圖。從結果可以看出，仿真和測試結果吻合良好，受加工誤差和測量誤差的影響，E 面方向圖的副瓣測試結果比仿真要高，天線在水平面的測試不圓度比仿真結果要差，在7.4 GHz、7.9 GHz 和8.4 GHz 3 個頻點處的不圓度分別為2.5 dB、2 dB 和2.2 dB。圖8 給出了串并饋結合的全向陣列天線的仿真和測試增益(水平面最小增益)，可以看到仿真和測試增益吻合較好，測試結果表明該天線在7.4 GHz～8.4 GHz 的工作帶寬內增益大于8 dB。

3 結論

本文提出了一種基于串并聯(lián)結合饋電的高增益垂直極化全向天線。為了獲得高增益以及方位面上較小的不圓度，對陣列的演化過程進行了探討。為了驗證該天線的性能，設計、制作并測試了該天線實物。測試結果表明，該天線VSWR≤2 時的阻抗帶寬為13%(7.4～8.4 GHz)，天線在工作頻帶內不圓度小于2.5 dB，增益大于8 dB。該天線結構簡單、橫向尺寸小、輻射性能優(yōu)良，可以應用于寬角空域覆蓋的全向通信系統(tǒng)。