基于零階諧振器的低剖面寬帶錐狀波束微帶天線研究

曾礫堂，石 磊，柴建寧，張君鵬，楊登泰，彭 麟

（1.中國(guó)人民解放軍93119部隊(duì)，甘肅 酒泉 735000；2.桂林電子科技大學(xué)，廣西 桂林 541004）

0 引言

錐狀波束天線與一般定向天線（如筆狀波束天線）的方向圖最大不同在于其波束在孔徑的法線方向上為零點(diǎn)，因此其最大輻射方向與法線成一定傾角，并且波束具有圓周對(duì)稱性。錐狀波束天線的輻射特性使其獲得廣泛的應(yīng)用，如彈載數(shù)據(jù)鏈、近炸引信、地面衛(wèi)星通信終端、移動(dòng)通信以及無(wú)線局域網(wǎng)通信等系統(tǒng)。

為實(shí)現(xiàn)錐狀波束，眾專家學(xué)者提出很多的設(shè)計(jì)方法。文獻(xiàn)[1]采用背部饋電的微帶形式和金屬過(guò)孔實(shí)現(xiàn)錐狀波束，并應(yīng)用混合拓?fù)鋬?yōu)化算法實(shí)現(xiàn)最優(yōu)化，天線帶寬約7.8%，最大增益為7.8 dBi。文獻(xiàn)[2]通過(guò)在中心饋電的正方形貼片天線的對(duì)角線上對(duì)稱引入4個(gè)金屬化通孔實(shí)現(xiàn)錐狀波束，該天線的帶寬達(dá)到17.8%，最大增益為6.6 dBi。文獻(xiàn)[3]為使容性加載的單極子設(shè)計(jì)實(shí)現(xiàn)錐狀波束，使用較大的地板反射面，天線帶寬約為9.9%，最大增益約7.49 dBi。文獻(xiàn)[4]使用中心饋電的貼片天線和8個(gè)被縫隙圍繞的短路銷釘實(shí)現(xiàn)錐狀波束，天線帶寬約為19.4%，且該天線適用于有極大地板的環(huán)境。文獻(xiàn)[5]結(jié)合漸變型單圓錐、彎折短路金屬柱、錐型金屬腔和同軸饋電結(jié)構(gòu)等實(shí)現(xiàn)錐狀波束，雖然天線的阻抗帶寬達(dá)到118.5%，但是其結(jié)構(gòu)復(fù)雜，加工難度較大。文獻(xiàn)[6]通過(guò)在方形空氣腔上加工4個(gè)L形縫隙實(shí)現(xiàn)錐狀波束，天線帶寬約2.17%，最大增益為3.21 dBi。文獻(xiàn)[7]將倒F天線組成陣列實(shí)現(xiàn)錐狀波束，天線帶寬約11.2%，最大增益達(dá)到12.7 dBi。文獻(xiàn)[8]將多個(gè)微帶準(zhǔn)八木天線組成陣列，并將該陣列與彈體曲面共形，從而獲得錐狀波束，天線的帶寬約為12.2%，最大增益為2.8 dBi。文獻(xiàn)[9]利用傳輸陣列來(lái)調(diào)節(jié)喇叭天線的口面相位，從而在12.5 GHz的設(shè)計(jì)頻率下實(shí)現(xiàn)錐狀波束，天線的增益為9 dBi。

基于以上研究，文章提出新型中心饋電圓形貼片錐狀波束天線，通過(guò)加載零階諧振器達(dá)到展寬帶寬的目的。該天線制作在厚度為0.508 mm、相對(duì)介電常數(shù)為2.2的Rogers 5880基板上。介質(zhì)基板的正面是一個(gè)中心饋電的圓形貼片，背面是金屬地板，通過(guò)4個(gè)金屬過(guò)孔將圓形貼片與金屬地板相連，以減小天線的面積。為避免天線帶寬因天線面積減小而降低，將4個(gè)零階諧振器加載到圓形貼片上。由于4個(gè)零階諧振器嵌入圓形貼片內(nèi)部，天線的尺寸并沒(méi)有增加，但是天線的帶寬由4.86%增加到12.8%。該天線具有良好的錐狀波束特性，而且在頻段內(nèi)的輻射特性十分穩(wěn)定。

1 天線結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)及演變

文章所設(shè)計(jì)的錐狀波束天線具有結(jié)構(gòu)簡(jiǎn)單、尺寸小、帶寬大等優(yōu)點(diǎn)。為突出該天線的優(yōu)點(diǎn)，圖1展示了天線的結(jié)構(gòu)及演變。其中，天線1為典型中心饋電圓形貼片錐狀波束天線，天線2為基于短路銷釘?shù)闹行酿侂妶A形貼片錐狀波束天線，天線3為所提出的零階諧振器加載的錐狀波束天線。這3個(gè)天線均制作在相對(duì)介電常數(shù)為2.2、厚度為0.508 mm的介質(zhì)基板上，而且皆工作在K波段。圖1中，天線1的輻射貼片為圓形，貼片直徑達(dá)到11.8 mm；天線2在天線1的基礎(chǔ)上加載4個(gè)短路銷釘，從而將貼片直徑減小到5.5 mm；天線3在天線2的基礎(chǔ)上加載4個(gè)零階諧振器，由于零階諧振器被加載到圓形貼片的內(nèi)部，天線的尺寸變化不大，直徑為5.9 mm。但是，零階諧振器會(huì)引入1個(gè)新的諧振，從而展寬天線的帶寬。

圖1 天線結(jié)構(gòu)及演變示意圖

2 天線結(jié)果與分析

天線1、天線2和天線3的阻抗匹配曲線如圖2所示。由圖2可知，采用中心饋電圓形貼片的天線1諧振為22.8 GHz，其-10 dB阻抗帶寬為1 100 MHz。雖然與天線1相比，天線2的直徑從11.8 mm減小到5.5 mm，但是其諧振頻率并沒(méi)有升高，反而降低到了22.1 GHz。天線2的-10 dB阻抗帶寬為1 300 MHz，可見(jiàn)采用4個(gè)短路銷釘加載的天線2不但比天線1尺寸大大減小，其阻抗帶寬也有所增加。加載到天線3的零階諧振器使天線增加1個(gè)新的諧振，其帶寬也大大增加。天線3的兩個(gè)諧振頻點(diǎn)分別為21.5 GHz和23.4 GHz，其-10 dB阻抗帶寬為2 900 MHz。相比天線2，在天線直徑幾乎不變的條件下，零階諧振器的加載大大展寬了天線的帶寬。3個(gè)天線的主要阻抗特性如表1所示。

表1 天線的主要阻抗匹配特性

圖2 天線1～3的阻抗匹配曲線

從表1可知，通過(guò)使用短路銷釘，天線2的尺寸遠(yuǎn)小于天線1，而且阻抗帶寬也由天線1的4.86%提高到5.87%。對(duì)于天線3，通過(guò)增加零階諧振器，其相比天線1和天線2增加了1個(gè)諧振點(diǎn)，形成雙諧振，從而將天線的帶寬增加到12.8%?？梢?jiàn)，相比于天線1和天線2，天線3在尺寸和帶寬上都有很大的優(yōu)勢(shì)。

圖3為天線3在兩個(gè)諧振頻點(diǎn)的輻射方向圖。由圖3可知，天線3具有良好的錐狀波束特性，其在21.5 GHz和23.4 GHz的E面方向圖形狀十分相似，最大輻射方向都指向36°，最大增益約為5 dBi，在21.5 GHz和23.4 GHz的H面方向圖的圓度特性良好。可見(jiàn)，它不僅具有良好的錐狀波束特性，而且在頻段內(nèi)方向圖穩(wěn)定性良好。

圖3 天線3的方向圖

3 結(jié)語(yǔ)

文章提出一種新型的寬帶錐狀波束天線，通過(guò)加載零階諧振器，有效拓展天線的帶寬，且使天線在整個(gè)頻段內(nèi)具有優(yōu)良的錐狀波速特性。零階諧振器和短路銷釘?shù)倪m用大大減小了天線的尺寸，并具有地剖面特性，剖面僅為0.508 mm。這種天線結(jié)構(gòu)可以應(yīng)用于衛(wèi)星通信終端和飛機(jī)等需要風(fēng)阻較低的平臺(tái)。