一种低剖面宽带全向天线的设计

王 亮

(中华通信系统有限责任公司河北分公司，河北 石家庄 050081)

一种低剖面宽带全向天线的设计

王 亮

(中华通信系统有限责任公司河北分公司，河北 石家庄 050081)

在现代通信中，为了实现在相同空间内装备更多的通信设备，需要让不同的通信设备共用同一天线，为了解决实际使用需求和耦合等干扰问题，设计了一款采用特殊的加载方法来实现低剖面宽频段的全向天线。对该天线的辐射原理、电磁特性及敏感参数等问题进行了讨论和仿真分析，并制作出了样机天线。对样机天线进行了实际测试，测试结果证实该天线具有低剖面、宽频带和全向辐射特性，与分析结果相一致，因此该天线能够解决在有限空间内装备更多的通信设备的实际使用需求。

低剖面；宽带；全向天线

0 引言

随着无线通信系统技术的快速发展，对天线性能的要求也不断提高，常规天线已不能完全满足现代通信要求。在现代通信中需要在相同空间内装备更多的通信设备，那么需要相应增加天线的数量，这样就使得各个天线间的耦合直接影响到天线的电气指标，从而最终影响通信质量。行之有效的方法是增加天线的工作带宽，让不同的通信设备共用同一天线，从而减少天线的实际安装数量。如果再能够缩小天线的外形尺寸，并解决耦合等干扰问题，那么就完全能够满足现代通信要求。

目前发展低剖面、宽频带和小型化天线技术，有着广泛的应用前景和重大的现实意义。由于低剖面、宽频带和小型化天线是在常规的天线基础上发展起来的，与常规天线在原理上并没有本质区别，故有多种方法来实现。

1 低剖面宽带全向天线特性分析

1.1 低剖面宽带全向天线结构

在天线设计上从实现天线低剖面入手，引出了一种全向天线，它主要是由金属板和金属寄生杆相互作用而得到的低剖面、宽频带和小型化天线[1-2]。此种天线结构如图1所示，由线天线的理论进行剖析，该种天线可以看成单极锥天线加载上匹配结构，并采用 50 Ω同轴射频接插件进行馈电，馈线的外导体接接地板，馈线的内导体接圆锥。单极锥天线本身就能提供很好的电压驻波比，再加上其匹配结构，可以将天线尺寸压得更低，频率带宽更宽。

单极锥天线[3-4]是单极天线的一种，同单极天线馈电方式类似，其接地板与馈电同轴电缆的外导体相连接，内导体与锥体连接。通常情况下，锥天线的角度愈大，天线的电压驻波比会愈低。但是由同轴线缆进行馈电的单锥体天线，其同轴的线缆内芯和锥体下底板间焊接地方的不持续特性会使得电磁波有大的响应，并且圆锥角度愈大，它的不连续性能就会愈强，相应的它的反射强度也就愈大,故设计天线之初就是要找寻合适的圆锥角度天线。经过仿真研究后，圆锥角度为45°时，对应相应的频率范围内锥天线匹配性能[5]和宽频带性能[6]会更好。

图1 低剖面宽带全向天线示意图

1.2 金属板和接地板对天线性能的影响

为满足其低剖面、宽频带、小型化天线的特性[7]，先对金属板和接地板进行仿真求证，以便于先排除金属板和接地板对天线性能的影响。下面对金属板和接地板分别进行叙述：

① 根据实际应用情况，分别选用 400 mm×400 mm、500 mm×500 mm和600 mm×600 mm 正方形接地板作比较。经过反正运算后，发现接地板的尺寸的变化主要影响天线工作频率的低频段。只有当采用500 mm×500 mm的接地板时，天线工作带宽最好；

② 在圆锥天线上加载金属板的主要目的是改变锥体表面的电流路径，降低天线的终端反射损耗，从而达到拓展天线带宽的目的，然而不同尺寸的金属板对天线高低端频率和带宽的影响却是比较大的。

经过仿真优化后明显发现，天线的驻波比伴随着圆盘直径的增加，天线驻波比低频端向低的一端平移，高频端向高的一端平移，带宽展宽了。但当圆盘的直径增加到一定尺寸后，驻波比在低频端较低，在高频端较高，却在中心频率附近出现谐振，发生了电压驻波比大于2的情形。若圆盘直径减少到某个尺寸时，该天线的驻波带宽还是相对比较宽的，但低频端和高频端的整体驻波比大于2。因此直径(D)为140 mm时天线的驻波曲线最佳[8]。

在样机调试阶段，若在不改变金属盘直径的情况下，将金属盘形状改为梅花状，其性能更佳，且符合宽带驻波比要求。

1.3 介质片和寄生杆对天线性能的影响

在对天线整体性能仿真之前，分别对天线的介质片和寄生杆进行仿真，可以发现介质片和寄生杆的改变对天线的驻波比有极大的影响，下面分别进行叙述：

① 在锥的尾部与金属接地板间加上一层非金属介质片[9-10]，主要作用是让介质片在馈电点处的电容抵消输入阻抗。基于实际情况，均采用了聚四氟乙烯做为介质基片[11]。在介电常数一定的情况下，改变其厚度(h)，通过仿真优化后对天线的带宽进行观察，发现基片厚度的增加也同样能够改善天线工作频率。但是当其厚度持续增加时，天线在中频段内的匹配阻抗超差。只有当聚四氟乙烯基片的厚度为2 mm时，才可以获取较合理的电容特性抵消馈电处的电抗性，并有效地拓展天线的带宽。

② 经过仿真优化后发现，寄生杆越长，天线的驻波曲线[12]从频率较高部分向频率较低部分变化，天线的工作带宽也越小，当金属的寄生杆长度较低时，虽然这个天线带宽已经增大了，但是中心频率上出现一个很强的谐振波，仿真数据如图2所示。

图2 天线驻波随寄生杆高度(H)的化变

仿真后发现，寄生杆间距离选择的不合理不仅使天线的高端频率向低频处移动，而且会使高频处产生强大的谐振，带宽性能变得相当得恶劣。当寄生杆间距离为λ/4(λ为波长)左右的时候，天线的带宽性能尚佳，匹配性能良好，低端频率较低，高端频率较高，相对带宽也比较宽，仿真数据如图3所示。

图3 天线驻波随寄生杆距离(L)的变化

1.4 低剖面宽带全向天线建模和仿真

在明确了天线的设计要求，且经过对天线匹配结构的各个部件进行仿真优化求证后，本文研制出天线的仿真模型如图1所示，并对天线各个部件的尺寸及形状进行细微调整,使其驻波在工作频带内尽可能低，且外形尺寸尽量小。仿真方向图以及驻波曲线如图4所示。

图4 低剖面宽带全向天线增益方向图

1.5 样机设计

加工出天线的样机并对样机进行调试，样机外形图如图5所示，样机实测方向图如图6所示。

经过对天线的实物样机测试后发现[13]，设计出的低剖面宽带全向天线高度仅为λ/8 (λ为最低工作频率时的波长)，相对带宽为96%，倍频带宽为2.84∶1。经过上机验证[14]，将在天线实际安装到设备上，并加装特制的非金属天线罩进行测试，发现设备的金属表面以及天线罩对该天线并无太大影响，且该低剖面宽带全向天线在实际应用中会有很高的使用价值。

图5 低剖面宽带全向天线样机

图6 天线实测方向图及驻波图

2 结束语

该宽带全向天线具有低剖面、宽频带、全向辐射特性[15]，对各个通信领域都具有很大的优点,可实现宽角度范围扫描和全方位覆盖，同时还不破坏设备表面的机械结构和强度。该天线在工程应用上需要空间小,增加了可用口径等其他优点，具有很好工程应用前景。

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Design of a Low Profile Wideband Omnidirectional Antenna

WANG Liang

(China Communications System Co.,Ltd Hebei Branch Company,Shijiazhuang Hebei 050081,China)

In modern communication,several communication devices need to share one antenna for integrating more communication devices in limited space.A low-profile wideband omnidirectional antenna is designed with special loading method for solving practical requirement and coupling disturbance.The radiation principle,EM characteristics,and sensitive parameters of this low-profile wideband omnidirectional antenna are simulated and analyzed.The antenna prototype is also manufactured.Practical test was processed on antenna prototype.And test result verified that the antenna has low-profile,wideband omnidirectional characteristics,which consists with analysis result.The antenna can meet the requirement that integrating more communication devices in limited space.

low-profile;wideband;omnidirectional antenna

10.3969/j.issn.1003-3114.2017.02.17

王 亮.一种低剖面宽带全向天线的设计[J].无线电通信技术,2017,43(2):67-70.

2016-12-22

国家自然科学基金项目(11261140641)

王 亮(1982—)，男，硕士，工程师，主要研究方向：微波天线研制。

TN82

A

1003-3114(2017)02-67-4