一種雙金屬板加載的水平極化全向天線*

高國明，陳文俊，袁 洪，簡 玲

(中國船舶重工集團公司第七二四研究所，南京 210003)

0 引言

水平極化全向天線的輻射方向圖在水平面內是一個無方向性的圓，它廣泛應用于通訊廣播、雷達信標和敵我識別等領域。由于磁偶極子并不存在，所以水平極化全向天線需要靠方向圖疊加形成全向輻射。

微帶全向天線因其易加工、輕重量、低成本等特點而得到廣泛研究，比較典型的方法有:(1）非水平共面組合天線，如圓柱共形微帶天線［1］、方形微帶貼片陣［2］;(2）水平共面組合天線，如Alford 環天線［3］、印刷偶極子方形陣［4］和印刷偶極子圓形陣［5］。第2 種類型天線的單元全部蝕刻在微帶板上，具有制作精度高且重量輕的特點。

1 全向天線設計

本文設計的雙金屬板加載水平極化全向天線如圖1，整個天線包括頂端金屬反射板、全向微帶天線、聚四氟乙烯介質柱和底端金屬反射板。每根介質柱由兩截組成，與微帶天線接觸的一端有一個介質法蘭，全向微帶天線夾在上下介質法蘭之間并用螺釘固定。介質柱的另一端插入金屬板安裝孔中固定，上下金屬板的厚度均為2 mm。

圖1 全向天線結構示意圖

微帶天線部分如圖2所示，由介質板、4個微帶偶極子和饋電網絡組成。4個微帶偶極子均勻蝕刻在介質板圓周上，每個微帶偶極子的兩臂分別位于介質板的上下層，偶極子終端采用弧形結構。微帶板直徑為87 mm。微帶偶極子通過寬帶的平行雙線饋電，保證了天線工作帶寬。連接平行雙線的兩臂反相饋電以提高天線交叉極化性能［5］。

圖2 微帶部分結構示意圖

為避免4個偶極子并聯時總線和各支線的線寬差異過大，饋電網絡采用兩級一分二功分器組成:兩根平行雙線并聯后變換至微帶線，再將兩根微帶線并聯與阻抗為50 Ω的同軸連接器相連。

天線的工作原理為:單個微帶偶極子的E 面波瓣為“8”字形，通過在圓周上均勻環布4個偶極子使方向圖疊加形成全向輻射。由于天線頂端和底端分別有金屬板，調整頂端和底端金屬板的尺寸可以改變波瓣仰角。

2 仿真結果

首先仿真上、下金屬板直徑均90 mm的水平極化全向天線，它的波瓣最大值位于水平面內。天線端口駐波仿真曲線如圖3，可見在10%的相對頻帶內駐波小于1.5。圖4為仿真的天線中心頻點(2.85 GHz）方位面(E 面）波瓣圖，天線增益高于2.3 dB、增益起伏小于1 dB，交叉極化電平低于－30 dB。圖5為天線中心頻點的俯仰面(H 面）波瓣圖，可見波瓣最大值位于水平面內。

圖3 全向天線端口駐波

圖4 全向天線方位面方向圖

保持上方金屬板直徑不變，將天線下方金屬板直徑增加到200 mm后，天線中心頻點的俯仰面波束指向調整至60°。俯仰面波瓣圖如圖6。

圖6 指向為60°的全向天線俯仰面方向圖

3 測試結果

加工的水平極化全向天線上、下金屬板直徑均為90 mm。天線端口駐波測試圖如圖7所示，饋電電纜從天線下方金屬板的通孔穿過。測得的天線端口駐波曲線如圖8，可見在設計頻帶內端口駐波小于1.7。

圖7 全向天線駐波測試圖

圖8 實測天線端口駐波

將天線豎直放在暗室遠場測試轉臺上測得方位面(E 面）波瓣圖如圖9，低頻波瓣起伏較大，約2.1 dB。在方向圖測試中發現全向天線的支撐結構和周圍吸波材料擺放位置改變時，對方位面波瓣圖的起伏影響較大。測試俯仰面(H 面）波瓣時需要將天線傾倒，天線極化方向變為垂直極化。測得俯仰面波瓣圖如圖10，天線俯仰面波束對稱性良好。

圖9 實測天線方位面波瓣圖

圖10 實測天線俯仰面波瓣圖

4 結束語

本文設計的雙金屬板加載水平極化全向天線具有以下優點:利用平行雙線饋電展寬了天線單元帶寬;兩級功分網絡減小了饋線的阻抗范圍從而降低加工難度;雙金屬板加載提高了天線增益且容易調整俯仰面波束指向，同時提高了天線頂端和底端的抗干擾性能。實測的天線方位面波瓣起伏值在低頻較大，這需要通過改進天線設計和改善測試環境來減小。本天線適合應用于廣電通信、電子對抗等領域。

［1］Immanual Jayakumar，Ramesh Garg，Sarap B K，Bhagwan Lal.A conformal cylindrical micro-strip array for producing omnidirectional radiation pattern［J］.IEEE Trans.on Antennas and Propagation，1986，34(10）:1258-1261.

［2］李碩.水平極化全向(高增益）通訊天線的設計和研究［D］.成都:電子科技大學.電磁場與微波技術系07 級碩士論文.

［3］John D Kraus，Ronald J Marhefka.天線(第三版）［M］.北京:電子工業出版社，2000.

［4］錢嵩松，李興國.一種由漸變縫隙天線構成的等效全向天線［J］.微波學報，2006，22(2）:41-44.

［5］馮祖建，張立新，孫紹國.水平極化全向天線的設計［J］.微波學報，2008，24(6）:60-64.