新型L頻段高增益全向天線?

王 波 梁 藝 李耀敏（中船重工集團第七二二研究所武漢430079）

新型L頻段高增益全向天線?

王 波 梁 藝 李耀敏
（中船重工集團第七二二研究所武漢430079）

設計了一種L頻段高增益全向天線，該天線由雙面輻射微帶陣列組成，通過平行雙線電磁耦合的方式有效展寬了工作帶寬，同時采用蛇形慢波饋線結構，降低天線指向隨頻率變化的影響。文中給出了微帶陣列天線的設計方法，對提出的天線進行仿真設計及優化，并制作原型樣機進行對比測試。結果表明，該型微帶陣列天線在工作頻段范圍內滿足電壓駐波比（VSWR）小于1.5，天線反射損耗小于-10dB帶寬為12%，在工作頻段內滿足最小增益為4dB，天線E面波束寬度在40°～43°之間，H面不圓度在1dB內，滿足通信系統指標要求，同時該天線具有結構簡單、易于工程實現的特點。

全向天線；平行雙線；蛇形慢波

Class Num ber TN 958

1 引言

全向天線廣泛應用在一點多址通信系統中，其主要形式包括交叉串饋天線［1］、串饋套筒天線［2］、縫隙天線［3］、對稱振子天線［4］和印刷振子天線［5］，同軸共線（COCO）［6］天線作為早期全向天線的代表，被廣泛應用到工程實踐中，從理論分析可知，采用交叉饋電形式將半波長同軸線內芯與外皮交叉連接，通過增加單元數量來實現COCO天線的全向高增益，不過由于這種天線自身的諧振結構，帶寬成為制約其性能的關鍵參數，可以通過頂端加載方式［7］展寬其帶寬，但這樣天線增益受到了影響，且增加了天線的尺寸。套筒天線［8］頻帶比交叉饋電天線要寬，但是存在耦合縫隙的介質支撐的強度和精度問題。波導縫隙天線工作在較高頻段，對于L頻段來說，其天線結構復雜，調試較為困難。

微帶天線具有結構簡單緊湊、集成度高、容易匹配等優點，對于微帶陣列天線而言，為了實現天線波束［9］的特定要求，天線陣需要特定的幅度相位分布。與傳統微帶天線陣的并聯饋電［10］相比，串聯饋電［11］可以顯著減小饋電網絡的復雜性，縮短網絡中微帶傳輸線的長度，降低饋電網絡帶來的損耗，在固定波束和頻掃天線應用廣泛。

本文設計了一種串饋全向偶極子天線陣列，綜合考慮微帶天線單元的輻射特性、天線互耦和阻抗匹配等因素，采用電磁耦合饋電的方式有效地展寬了全向印刷偶極子天線的工作帶寬，同時采用蛇形慢波線饋線結構，降低天線陣的波束指向隨頻率變化的影響。

2 基本原理

串聯饋電［11］微帶貼片陣列是由將所有單元通過高阻抗傳輸線連接在一起組成的，并將功率從第一個單元饋入，沿線每個陣元都耦合一部分功率，剩下的小部分功率由終端匹配負載接收。串饋線陣每一個天線陣元都可以等效成一個四端口網絡，如圖1所示。

將串饋天線單元等效為并聯導納YL，傳輸線特性導納為Y0，其間距為一個導波長λg，經過第n個天線單元的電流幅度為In，第n個天線單元前總饋線上的電流為In1，從第n個天線單元前向陣列末端看的電導為Yn1，反射系數為Γn1，經過第n個天線后總饋線上電流幅度為I(n+1)2，從第n個天線單元后向陣列末端看的電導為Y(n+1)2，反射系數為Γ(n+1)2，衰減常數為α，利用傳輸線公式天線導納和經過天線單元電流為

計算從等效網絡的最末端開始，令In=1，Y(n+1)2=0，便可得到考慮損耗后的各個陣元等效導納上的電流In。

串饋天線是一種窄帶的組陣方式，激勵的能量通過天線單元1的末端傳輸給天線單元2，依次類推，通過調整天線間串聯微帶線的長度來控制天線單元的相位關系，從而形成空間能量疊加實現高增益。印刷振子長度近似為λg/2，λg為介質波長，其值為：

其中λ0、εe分別為自由空間波長和有效介電常數。有效介電常數滿足如下關系式：

當天線波束指向在空間變化是，相鄰兩個陣元之間的相位差為空間相位差和饋線相位差之和。

對于側射陣，θ=0為陣列方向性最大方向，此時陣列天線單元相當于同相激勵，陣列指向滿足：

因此d=λg，即單元間距為一個介質中波長，上式是串饋各向同性點源之間的距離公式，在實際中，天線單元的寬度也會影響陣元之間的相位差，所以一般通過仿真計算得出同相輻射時的單元間距，通常這個間距都要小于一個介質中波長。

3 天線仿真

微帶天線采用平行雙線對半波長振子饋電，雙線與振子互相垂直，這樣可以減弱輻射振子與雙線之間的耦合，平行雙線給半波長振子饋電時，雙線主要工作在主模TEM模。調整平行雙線的寬度和雙線間距離可以改變平行雙線的特性阻抗。天線結構如圖所示，天線印刷在相對介電常數為2.65的介質基板上，介質基板厚度約為1.5mm。偶極子的兩臂印刷在介質基板的同一面，在饋電時，引入了兩節起阻抗變換作用的平行雙線和漸變巴倫，為調節天線的阻抗匹配在饋線末端引入開路枝節。傳輸線末端的開路枝節可以等效為在饋電點處給端口的輸入阻抗引入一個電抗，可以調節天線阻抗匹配。偶極子之間的饋電槽線寬度約為2mm，由微帶線對槽線進行耦合饋電。槽線與平行雙線間的耦合可以等效成一個理想變壓器。同時采用頂部加載的方法，在偶極子頂部添加寄生貼片，增加天線振子臂的寬度來提高天線的帶寬，由于寄生貼片的作用，能夠抑制天線的不對稱性對天線全向特性的影響，從而保證天線全向特性的同時增加天線的阻抗帶寬。同時采用蛇形慢波線饋線結構，降低天線陣的波束指向隨頻率變化的影響。串饋天線陣列仿真模型如圖2所示。

利用HFSS對該模型進行仿真，得到反射損耗隨頻率的變化曲線，從圖3可以看出天線在頻率范圍內電壓駐波比小于1.5。

圖4 為天線方向圖仿真結果，該天線在工作頻率范圍內實現了全向輻射，方向圖不圓度在1dB以內。除較低頻率時主波束上翹外，主波束都在同一水平面上，天線E面波瓣寬度在40°~43°之間，天線增益約為4.3dB。

4 性能測試

根據仿真結果，制作了串饋耦合微帶陣列天線，采用耐磨、高強度的聚砜材料固定天線介質基板，天線罩采用低損耗、高強度、高透波的玻璃鋼材料。圖5給出了天線模型的實物照片。天線的饋電端口與50Ω特性阻抗的SMA型同軸連接器直接相連。

利用矢量網絡分析儀對天線實物進行了測試，圖6給出了天線的端口電壓駐波比實測結果。

與仿真結果相比，高頻段實測值有點頻偏，主要原因可能是仿真是沒有充分考慮SMA同軸連接器的影響，當天線的端口與SMA同軸連接器相連接后，相當于增加了地板的尺寸，這將會使各個諧振點位置產生偏移，但總的來說，實測結果與仿真結果較吻合。實測結果表明，天線最大VSWR ￡1.38，滿足指標要求。

利用微波暗室系統對天線進行方向圖測試，以下圖7為天線方向圖測試結果。

從測試結果可以看出，天線俯仰面（E面）波束寬度約為40°，水平面（H面）不圓度￡1.3dB，與標準天線暗室測試功率電平進行比較，得到天線在工作頻段內增益約為4.5dB。

5 結語

本文設計一種高增益全向微帶天線，采用電磁耦合的方式進行饋電，實際制作了天線原理樣機并對其電壓駐波比和輻射性能進行了測量。測試結果，串饋耦合微帶陣列天線具有良好的全向性，較高的增益，較寬的帶寬，同時具有結構緊湊、易于加工、小型化等優點，該天線各項性能達到預期指標要求。

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New L-band Omni-directionalM icro-strip Array Antenna w ith H igh Gain

WANG Bo L IANG Yi L IYaom ing
（No.722 Research&Development Institute，CSIC，Wuhan 430079）

A new kind of omni-directional antenna at L-band with two-side radiating m icro-strip array is proposed and designed in this paper.By electromagnetically coupling of the parallelwire，thism icro-strip array antennas broaden the bandwidth effectively，in addition，the proposed antennas suggest the serpentine slow-wave feeding structurewhich help reducing the impact of frequency changes.The design method this micro-strip array antenna is presented and produced，the presented antenna is simulated and a prototype is optim ized for comparision testing.The results show that themeasured bandwidth vswr is less than 1.5 and the bandwidth is 12%with return loss less than-10dB.The antenna gain is larger than 4dB in the operation frequency band and the beam width in E-plane isabout 40°，The non-circularity of H-plane isabout 1dB.Themicro-strip array antenna can satisfy the needsofm icrowave communication system.In addition，the proposed antenna hasan advantage ofeasy fabrication.

omni-directionalantenna，parallelwire，serpentine slow-wave

TN 958

10.3969/j.issn.1672-9730.2017.05.014

2016年11月17日，

2016年12月23日

王波，男，碩士，工程師，研究方向：天線設計、波束設計。梁藝，女，碩士，工程師，研究方向：天線設計、數字信號處理。李耀敏，男，工程師，研究方向：天線設計、波束設計。