一種具有雷電防護功能的高增益垂直極化全向賦形天線設計

景小東 劉肅正 王維云

(1.中國西南電子技術研究所,四川 成都 610036;2.陜西烽火諾信科技有限公司,陜西 寶雞 721006)

0 引言

隨著通信技術的發展,對高增益全向天線的需求越來越高。遠距離地空通信系統中,在地面站天線低仰角波束范圍內,需要實現較高的增益以滿足通信距離要求。尤其在機場等地面基站遠距離、低仰角通信系統中,由于通信目標可能出現在任意方向,在滿足大功率、高增益需求的同時,需要天線方向圖能夠實現水平360°覆蓋。而對于安裝在高處的遠距離通信天線通常需要做防雷電處理。

傳統基站天線系統中,全向天線的應用很廣泛,文獻[1]～[4]提出了幾種應用于移動通信基站的高增益全向天線,最大輻射方向在水平面,仰角增益較低。文獻[5]提出了一種賦形天線,由于波束賦形范圍較小,通信范圍受限。文獻[6]～[7]提出了2種采用遺傳優化算法實現寬角度波束賦形的天線,彌補了方向圖波束覆蓋的不足,但由于天線形式限制無法滿足遠距離通信系統大功率的需求。

本文設計了一種大功率高增益全向賦形天線,工作頻段為1.41～1.46 GHz。天線采用印刷偶極子天線作為天線單元進行賦形設計,通過遺傳算法優化陣元激勵幅度和相位進行饋電,使天線在低仰角范圍內具有較高的增益,4組賦形子陣列360°均勻分布,實現方向圖全向覆蓋。通過適當增加印制板覆銅厚度滿足大功率需求,同時在天線中心設計避雷針起防雷作用。仿真設計并加工制作了天線實物,測試結果表明,該天線適用于地面站遠距離通信系統。

1 天線設計

本文設計了一種用于地面遠距離通信的系統,具有防雷功能的大功率垂直極化全向賦形天線。如圖1所示,它由4塊印制板輻射體、印制板安裝架、4根等長度射頻電纜、一分四功分器、天線罩、上下底盤及避雷針幾部分組成。一分四功分器固定安裝于下底板中心位置,印制板安裝支架通過底部支架與功分器連接為一體,每個印制板輻射體分別固定安裝于安裝支架一側,繞支架中心間隔90°均勻分布排列,4塊印制板與功分器4路出口之間通過4根等長度同軸射頻電纜電連接。為了防雷,需要在底座的接地平面中心安裝直徑為20 mm 的金屬避雷針,避雷針通過安裝支架中心連通上下底板且伸出上底板,圓柱形天線罩與上下底板之間固定安裝,起屏蔽保護作用,如圖1(a)所示。

圖1 天線結構組成

為實現天線俯仰面在低仰角區域內方向圖賦形要求,使方向圖俯仰0°～40°波束范圍內有較高的增益,選用印刷偶極子天線作為天線輻射單元。4個印刷偶極子單元垂直排布在印制板上,采用遺傳算法實現陣列方向圖優化。首先建立數學模型,將初始仿真的陣列單元方向圖代入數學模型,通過遺傳算法的不斷迭代,數學模型收斂到某一組解,將該組解代入電磁仿真軟件高頻結構仿真(HFSS)模型中進行仿真計算。如果計算結構滿足要求,則退出優化,反之則繼續優化過程。程序優化界面如圖2所示。

圖2 優化程序界面

由于印刷偶極子波束寬度的限制,每組賦形子陣列只能覆蓋方位面120°左右的區域。選用4組子陣繞中心均勻旋轉的排布來實現方位面全向波束覆蓋需求,4組子陣分別垂直安裝在方形安裝支架一側,如圖1(b)所示。通過4根等長度射頻電纜分別與一分四功分器4路出口連接,合成1路饋電,圖1(c)為功分器外形尺寸圖。為滿足天線大功率的需求,加工印制板時適當增加基板表面覆銅厚度至0.1 mm,使輻射印制板能夠承受更大的功率容量。設計的圓柱型天線罩對天線內部器件起屏蔽和保護作用。

根據仿真設計結果加工了天線實物,如圖3(a)所示,不含避雷針天線外形尺寸為258 mm×700 mm。表1給出了部分關鍵尺寸。

圖3 天線實物照片

表1 天線尺寸(mm)

2 仿真和實測結果

在工作頻段1.41～1.46 GHz內,仿真和實測的電壓駐波比(VSWR)如圖4所示。可以看出,仿真結果和實測結果基本吻合,整體略好于實測結果。這些差異主要是由于制造、裝配和測量誤差造成的。仿真時,天線模型是處于理想狀態下,與實際裝配完成的實物會有差異,也造成仿真結果與實測結果不符。圖4表明,在工作頻帶內,仿真和實測的電壓駐波比均小于1.3。

圖4 VSWR 的仿真與實測對比圖

天線在中心頻率1.435 GHz處的歸一化輻射方向圖如圖5所示。從圖5(a)可以看出,天線在俯仰面0°～40°(圖5(a)中50°～90°區域)范圍內實現了方向圖波束賦形,彌補了俯仰組陣后的方向圖零點,天線增益隨著俯仰角度的增加逐漸平緩降低,俯仰角0°、5°、15°、30°和40°增益分別為5.2 dB、5.8 d B、0.5 dB、-7.5 d B和-10.2 d B。由圖5(c)可以看出,該天線水平面輻射方向圖呈圓形,不圓度小于2 dB,能夠實現方向圖水平全向輻射。

圖5 天線輻射方向圖的仿真與實測對比圖(F=1.435 GHz)

3 結束語

本文提出了一種具有雷電防護功能的大功率高增益垂直極化全向賦形天線。天線采用印刷偶極子天線作為天線單元進行賦形設計,通過遺傳算法優化陣元激勵幅度和相位進行饋電,4組陣列360°均勻分布實現方向圖全向覆蓋。根據仿真結果加工了天線實物并進行測量,測試結果與仿真結果吻合良好。測試結果表明,該天線實現了垂直方向波束賦形,方向圖覆蓋水平360°,水平面增益大于5 d B,在俯仰0°～40°范圍內,增益隨著俯仰角度增加逐漸平緩降低,適用于地面站通信系統。