2-18GHz超寬帶斜極化水平全向天線設(shè)計(jì)

徐瑤俊，樊雪婷，郭慶功

（四川大學(xué)電子信息學(xué)院，四川成都，610065）

0 引言

本文采用對(duì)頂雙錐和極化器結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)了一款2-18GHz超寬帶斜極化水平全向天線，增益大于0dBi，方向圖的最大輻射方向?yàn)榫鶠樗椒较蚯也淮嬖诟哳l最大輻射方向裂瓣現(xiàn)象，不圓度小于3.5dB。

1 設(shè)計(jì)理論分析

雙錐天線是常用的寬帶水平全向天線，它具有結(jié)構(gòu)簡(jiǎn)單，頻帶寬，水平全向性好等優(yōu)點(diǎn)。有限長(zhǎng)雙錐天線由于存在端面反射現(xiàn)象，內(nèi)域場(chǎng)的值為沿著徑向正負(fù)兩個(gè)方向傳播TEM波和高次模的總和。雙錐天線任意γ處的阻抗由公式（1）所示：

E0（θ）為T(mén)EM波的電場(chǎng)，I（γ）為雙錐天線表面的總電流，由于天線頂點(diǎn)附近的面電流趨近于0，則高次模對(duì)雙錐天線表面總電流沒(méi)有貢獻(xiàn)。于是有限長(zhǎng)雙錐天線的輸入阻抗為T(mén)EM模在（γ→0）時(shí)電壓接天線面電流之比。當(dāng)天線錐角較大時(shí)，TEM模以及低次的TM模對(duì)天線輻射特性起主要作用，雙錐天線的等效終端導(dǎo)納簡(jiǎn)化為公式（3）所示：

2 天線仿真設(shè)計(jì)

雙錐天線及極化柵結(jié)構(gòu)如圖1、2、3所示，雙錐天線頂端加載卷邊結(jié)構(gòu)，提高了低頻段增益，雙錐天線參數(shù)如表1所示。

圖1 雙錐天線

表1 雙錐天線參數(shù)

圖2 極化柵

極化器由5層極化柵構(gòu)成，用來(lái)濾除雙錐天線輻射出的垂直極化波的水平分量。則第一層α0=0,αN=45°能夠輻射斜45°極化波，本次設(shè)計(jì)采用五層結(jié)構(gòu)極化器每層極化柵的角度如表2所示。極化柵的底板材料為Rogers Duroid 5880，其厚度為0.25mm，相對(duì)介電常數(shù)εr=2.2。金屬條的寬度W主要影響駐波比，金屬條間隔S和極化柵的間隔會(huì)影響方向圖和極化性能，每層極化柵的間隔用泡沫材料填充并起到固定作用，饋電方式采用同軸饋電，其中同軸的外導(dǎo)體與下盤(pán)連接，同軸的內(nèi)導(dǎo)體與上盤(pán)連接,圖3為整體天線結(jié)構(gòu)仿真圖。

圖3 天線整體結(jié)構(gòu)

表2 極化柵的角度

3 仿真結(jié)果分析

天線錐角θ一定時(shí)，雙錐天線的母線長(zhǎng)度對(duì)天線的方向圖影響較大，由圖4可知當(dāng)母線長(zhǎng)L=1/2λ（λ為頻帶最低頻率對(duì)應(yīng)的波長(zhǎng)）、L=3/4λ時(shí)，雙錐天線在18GHz方向圖的最大輻射方向出現(xiàn)裂瓣現(xiàn)象，如果不加以改善，增加極化柵之后會(huì)使方向圖裂化加劇，當(dāng)母線長(zhǎng)L=1/4λ（λ為頻帶最低頻率對(duì)應(yīng)的波長(zhǎng)）時(shí)改善了高頻方向圖裂瓣，卷邊結(jié)構(gòu)對(duì)天線增益具有一定的影響如圖5所示，由仿真結(jié)果可知增加卷邊結(jié)構(gòu)可以明顯增加低頻段增益，采用合適的卷邊長(zhǎng)度同時(shí)也起到了阻抗匹配的作用，當(dāng)卷邊長(zhǎng)度為7mm時(shí)可改善低頻段的駐波如圖6所示。

圖4 雙錐母線長(zhǎng)度對(duì)高頻（18GHz）方向圖的影響

圖5 卷邊對(duì)增益的影響

圖6 卷邊對(duì)VSWR的影響

增加極化柵結(jié)構(gòu)會(huì)對(duì)全向天線的不圓度以及駐波變差，通過(guò)優(yōu)化金屬條的寬度以及每層極化柵間的距離減小極化柵對(duì)天線性能的影響。經(jīng)過(guò)大量的仿真設(shè)計(jì)優(yōu)化結(jié)果為w=2mm、s=2mm，每層極化柵間的間隔為4mm。斜極化天線增益和駐波分別如圖7、8所示，在2-18GHz頻帶范圍內(nèi)增益均大于0dBi；駐波小于2，不圓度小于3.5dB，在2GHz、8GHz、14GHz、18GHz方向圖如圖9所示，隨著頻率的增加，不圓度變差但最大輻射方向仍為水平方向沒(méi)有出現(xiàn)裂瓣現(xiàn)象。

圖7 天線增益

圖8 天線駐波比

圖9 （a）、（b）、（c）、（d）分別為2GHz、8GHz、14GHz、18GHz方向圖

圖10 Eθ和Eφ電場(chǎng)分量的幅度比和相位差與頻率的關(guān)系

4 總結(jié)