一种P波段宽带端射天线设计

黄　锦，薛正辉，李伟明，任　武

(北京理工大学 信息与电子学院，北京 100081)



一种P波段宽带端射天线设计

黄锦，薛正辉，李伟明，任武

(北京理工大学 信息与电子学院，北京 100081)

摘要：设计了一种P波段的宽带端射天线。该天线以传统八木天线为基础，将振子尺寸缩小为原来的一半，并将振子放置在金属平板上，进而对天线的反射器和引向器进行改进，并通过对天线参数的仿真优化，最终将天线的带宽扩展到了38.4%，并保证了频带内相对较高的增益。仿真结果表明，天线能够在0.5～0.8 GHz的频带之内实现良好端射，并保证带内回波损耗均在-10 dB以下，整个频段内天线的方向性系数均在8.6 dBi以上。

关键词：P波段；平板端射天线；高增益；扩展带宽

0引言

P波段相对于厘米波和毫米波等波段具有自身的优势，可以用于反隐身工作。工作在P波段的天线主要形式有碟形天线、印刷偶极子天线、印刷单极子天线以及微带贴片天线。

八木宇田天线早起被称为“引向天线”，是一种典型的端射天线，在超短波与微波波段应用广泛[1]。其优点是结构简单、馈电方便和指向性好，有一定的增益。缺点是频带有限，并且一般用金属圆柱振子做成，其体积大，重量重，制作精度有限[2]。而文中采用的端射天线类型，是实验室十多年以来一直研究的天线类型，其各个振子尺寸也变为原八木天线的一半[3]。它比八木天线轮廓更低，体积缩小将近一半并加上金属平板[4]。

1天线单元结构设计

本文中，天线单元以平板端射天线单元为基础，该天线为实验室近年来主要研究的天线类型[5]。该天线原型在P波段，可以实现端射的频段只有170 MHz左右，且其驻波比带宽也只有96 MHz左右。因此，文中对振子的变型主要是为了扩展可以实现端射的带宽和驻波比带宽[6-7]。在反射振子和第1个引向振子上进行阻抗加载，结构图如图1(b)所示[8-9]。

图1　原结构和改进型天线单元示意图

1.1在反射振子上进行阻抗加载

为了增强反射器的效果，使天线能够在较低的频率处也能够实现端射，在反射振子顶端进行阻抗加载[10]，如图1所示。加载阻抗1采用圆柱形金属导体，相当于增大了反射振子的电尺寸，能够提高反射振子在低频时的反射效果。

图2所示为加载阻抗1的高度h1不同时对天线带宽阻抗匹配和辐射特性的影响，h1取从0.07λ～0.1λ变化。图中可以看出，加载阻抗1可以扩宽低频的频带，使得天线在低频处也可以实现良好端射；但是高度的变化对带宽的影响并不大；主要影响的是中心频率处的增益，随着高度的逐渐增加，中心频点处的主瓣方向性系数呈现先减小后增大的趋势，但相对于未经改造的原型来说，增益下降幅度较大。且从低频处的方向图可以看出，通过对反射振子的改造，能够使天线在低频时也能正常实现端射。

图2　加载阻抗1高度变化对天线带宽和辐射特性的影响

1.2在第一个引向振子上进行阻抗加载

根据八木天线的特性可以知道，引向器阵元主要控制天线的增益，最敏感的参数则是引向器的长度。因此，在保证天线尺寸变化不大的条件下，也同样增加圆柱形金属(导体加载阻抗2)对第1个引向振子进行改进，能够使得引向振子获得更好的引向效果。由于负载阻抗加载在振子底部，因此振子长度也应当进行适当的缩短。

图3表示加载阻抗2的高度h2变化时对天线辐射特性和频带特性的影响，取h2从0.032λ～0.087λ变化。从图中可以看出在引向振子上加载负载后对高频驻波比带宽有所展宽，但效果并不突出，且加载阻抗2的高度对驻波比带宽的影响很小；随着h2的增大，方向性增益先减小后增大。但是从取某一高度时的天线方向图中可以看出，在高频时天线能够实现良好的端射。

在同时保证带宽和增益的基础上，取h1=0.065λ和h2=0.035 λ。

图3　加载阻抗2高度变化时对天线辐射特性和频带特性的影响

影响带宽和辐射特性的因素除了高度以外，还有加载阻抗半径的变化也可以对天线带宽的影响[11-12]。

图4为加载阻抗1和加载阻抗2半径变化时对天线带宽的影响。加载阻抗圆柱的半径取从0.02λ～0.06λ之间变化，随着阻抗半径的增加，天线驻波比带宽却随之增大，方向性系数也随之减小且幅度较大。在保证方向性系数的情况下取阻抗半径尽可能小，因此取半径为0.027个波长。

图4　加载阻抗半径r2变化对频带特性和辐射特性的影响

1.3耦合振子半径对频带特性的影响

在此天线单元中，耦合振子的半径也是考虑的因素之一。因此，在优化过程中，取耦合阵子半径从5～10 mm之间变化。从图5中可以明显看出，随着振子半径的增加，天线带宽有明显减小且回波损耗明显增大。而且中心频率出的方向图变化曲线也显示出，随着耦合阵子半径的尺寸增大，天线中心频率处的方向性系数呈线性减小。因此在保证天线增益的情况下，为了尽量扩展天线带宽，选择了半径较小的耦合阵子。

图5　耦合阵子半径变化对天线驻波比带宽的影响

2仿真结果

以平板八木天线的模型为基础，在反射振子和第一个引向振子上同时加载阻抗，加之上述对单元的扫参优化，最终确定了天线的最佳尺寸：加载阻抗半径r2=0.027λ，加载阻抗1的h1=0.065λ，加载阻抗2的h2=0.035λ，耦合振子半径取0.009λ。该天线在保证了端射的基础之上，尽量避免减小增益的情况下，将天线原有14.1%的驻波比带宽扩展到了38.4%，且实现良好端射的带宽从原有的0.57～0.76 GHz扩展到了0.5～0.8 GHz，在整个工作带宽之内，并且该天线单元的方向性系数都能保证在8.6 dBi以上。仿真结果如图6所示。

仿真结果与未对反射振子和第1个引向振子进行改造时的结果进行对比如表1所示。

图6　改进型天线单元的频带特性和辐射特性曲线

对比参数中心频率方向性系数/D(dBi)中心频率/SLL(dB)上边频/MHz下边频/MHz驻波比相对带宽实现端射的频带宽度/MHz原有天线单元11.5-12.360269414.1%570～740改进型天线单元9.17-9.755480038.4%500～800

从图6中可以看出，对天线单元进行阻抗加载后，无论是天线的驻波比带宽还是工作带宽都有很大程度的扩宽，但是却牺牲了一定的增益。虽然文中仅给出中心频率处的副瓣电平，但从整个频带方向图可以看出，主瓣增益压缩使得副瓣增大，但是依旧能够保留了平板端射天线单元自身的优点。

3结束语

本文设计了一种P波段的高增益宽带端射天线单元，在八木天线单元的基础之上，对振子形式进行了改造，实现了0.5～0.8 GHz频带内的端射，相对带宽从扩展了将近30%左右，达到了最终的38.4%，且其方向性系数均在8.6 dBi以上。该改进以天线牺牲天线增益为代价，扩展了天线的带宽。

参考文献

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[12]梅立荣,张乃柏,马延爽,等.一种C波段宽带微带天线的设计与仿真[J].无线电通信技术,2014,40(4):64-66.

Design of a Broadband End-fire Antenna at P Band

HUANG Jin,XUE Zheng-hui,LI Wei-ming,REN Wu

(School of Information and Electronics,Beijing Institute of Technology,Beijing 100081,China)

Abstract：In his paper,a broadband beam end-fire antenna at P-band is designed.On the basis of traditional yagi antenna,this antenna can minimize the original dipole to half of its former size.It also places the monopoles on the metal plate to improve the reflector and directors of this antenna moreover.This antenna successfully expands the bandwidth to 38.4% at the sacrifice of deterioration of pattern through the simulation optimization of antenna parameters,which at the same time ensure the high gain in the relatively frequency band.Simulation results indicate that the antenna can implement good radiation between the frequency band of 0.5 GHz and 0.8GHz,ensure the return loss to be under -10dB,and the direction coefficient of the plate end-fire antenna in the whole band are above 8.6 dBi.

Key words：P-band；plate end-fire antenna；high gain；broadband beam

中图分类号：TN821+.8

文献标志码：A

文章编号：1003-3114(2016)03-63-3

作者简介：黄锦(1989—)，女，硕士研究生，主要研究方向：电子科学与技术，电磁场与微波技术。薛正辉(1970—)，男，副教授，主要研究方向：电磁场与微波技术。

收稿日期：2016-01-08

doi:10.3969/j.issn.1003-3114.2016.03.17

引用格式：黄锦，薛正辉，李伟明，等.一种P波段宽带端射天线设计[J].无线电通信技术,2016,42(3):63-65.