新型L频段高增益全向天线∗

王 波 梁 艺 李耀敏（中船重工集团第七二二研究所武汉430079）

新型L频段高增益全向天线∗

王 波 梁 艺 李耀敏
（中船重工集团第七二二研究所武汉430079）

设计了一种L频段高增益全向天线，该天线由双面辐射微带阵列组成，通过平行双线电磁耦合的方式有效展宽了工作带宽，同时采用蛇形慢波馈线结构，降低天线指向随频率变化的影响。文中给出了微带阵列天线的设计方法，对提出的天线进行仿真设计及优化，并制作原型样机进行对比测试。结果表明，该型微带阵列天线在工作频段范围内满足电压驻波比（VSWR）小于1.5，天线反射损耗小于-10dB带宽为12%，在工作频段内满足最小增益为4dB，天线E面波束宽度在40°～43°之间，H面不圆度在1dB内，满足通信系统指标要求，同时该天线具有结构简单、易于工程实现的特点。

全向天线；平行双线；蛇形慢波

Class Num ber TN 958

1 引言

全向天线广泛应用在一点多址通信系统中，其主要形式包括交叉串馈天线［1］、串馈套筒天线［2］、缝隙天线［3］、对称振子天线［4］和印刷振子天线［5］，同轴共线（COCO）［6］天线作为早期全向天线的代表，被广泛应用到工程实践中，从理论分析可知，采用交叉馈电形式将半波长同轴线内芯与外皮交叉连接，通过增加单元数量来实现COCO天线的全向高增益，不过由于这种天线自身的谐振结构，带宽成为制约其性能的关键参数，可以通过顶端加载方式［7］展宽其带宽，但这样天线增益受到了影响，且增加了天线的尺寸。套筒天线［8］频带比交叉馈电天线要宽，但是存在耦合缝隙的介质支撑的强度和精度问题。波导缝隙天线工作在较高频段，对于L频段来说，其天线结构复杂，调试较为困难。

微带天线具有结构简单紧凑、集成度高、容易匹配等优点，对于微带阵列天线而言，为了实现天线波束［9］的特定要求，天线阵需要特定的幅度相位分布。与传统微带天线阵的并联馈电［10］相比，串联馈电［11］可以显著减小馈电网络的复杂性，缩短网络中微带传输线的长度，降低馈电网络带来的损耗，在固定波束和频扫天线应用广泛。

本文设计了一种串馈全向偶极子天线阵列，综合考虑微带天线单元的辐射特性、天线互耦和阻抗匹配等因素，采用电磁耦合馈电的方式有效地展宽了全向印刷偶极子天线的工作带宽，同时采用蛇形慢波线馈线结构，降低天线阵的波束指向随频率变化的影响。

2 基本原理

串联馈电［11］微带贴片阵列是由将所有单元通过高阻抗传输线连接在一起组成的，并将功率从第一个单元馈入，沿线每个阵元都耦合一部分功率，剩下的小部分功率由终端匹配负载接收。串馈线阵每一个天线阵元都可以等效成一个四端口网络，如图1所示。

将串馈天线单元等效为并联导纳YL，传输线特性导纳为Y0，其间距为一个导波长λg，经过第n个天线单元的电流幅度为In，第n个天线单元前总馈线上的电流为In1，从第n个天线单元前向阵列末端看的电导为Yn1，反射系数为Γn1，经过第n个天线后总馈线上电流幅度为I(n+1)2，从第n个天线单元后向阵列末端看的电导为Y(n+1)2，反射系数为Γ(n+1)2，衰减常数为α，利用传输线公式天线导纳和经过天线单元电流为

计算从等效网络的最末端开始，令In=1，Y(n+1)2=0，便可得到考虑损耗后的各个阵元等效导纳上的电流In。

串馈天线是一种窄带的组阵方式，激励的能量通过天线单元1的末端传输给天线单元2，依次类推，通过调整天线间串联微带线的长度来控制天线单元的相位关系，从而形成空间能量叠加实现高增益。印刷振子长度近似为λg/2，λg为介质波长，其值为：

其中λ0、εe分别为自由空间波长和有效介电常数。有效介电常数满足如下关系式：

当天线波束指向在空间变化是，相邻两个阵元之间的相位差为空间相位差和馈线相位差之和。

对于侧射阵，θ=0为阵列方向性最大方向，此时阵列天线单元相当于同相激励，阵列指向满足：

因此d=λg，即单元间距为一个介质中波长，上式是串馈各向同性点源之间的距离公式，在实际中，天线单元的宽度也会影响阵元之间的相位差，所以一般通过仿真计算得出同相辐射时的单元间距，通常这个间距都要小于一个介质中波长。

3 天线仿真

微带天线采用平行双线对半波长振子馈电，双线与振子互相垂直，这样可以减弱辐射振子与双线之间的耦合，平行双线给半波长振子馈电时，双线主要工作在主模TEM模。调整平行双线的宽度和双线间距离可以改变平行双线的特性阻抗。天线结构如图所示，天线印刷在相对介电常数为2.65的介质基板上，介质基板厚度约为1.5mm。偶极子的两臂印刷在介质基板的同一面，在馈电时，引入了两节起阻抗变换作用的平行双线和渐变巴伦，为调节天线的阻抗匹配在馈线末端引入开路枝节。传输线末端的开路枝节可以等效为在馈电点处给端口的输入阻抗引入一个电抗，可以调节天线阻抗匹配。偶极子之间的馈电槽线宽度约为2mm，由微带线对槽线进行耦合馈电。槽线与平行双线间的耦合可以等效成一个理想变压器。同时采用顶部加载的方法，在偶极子顶部添加寄生贴片，增加天线振子臂的宽度来提高天线的带宽，由于寄生贴片的作用，能够抑制天线的不对称性对天线全向特性的影响，从而保证天线全向特性的同时增加天线的阻抗带宽。同时采用蛇形慢波线馈线结构，降低天线阵的波束指向随频率变化的影响。串馈天线阵列仿真模型如图2所示。

利用HFSS对该模型进行仿真，得到反射损耗随频率的变化曲线，从图3可以看出天线在频率范围内电压驻波比小于1.5。

图4 为天线方向图仿真结果，该天线在工作频率范围内实现了全向辐射，方向图不圆度在1dB以内。除较低频率时主波束上翘外，主波束都在同一水平面上，天线E面波瓣宽度在40°~43°之间，天线增益约为4.3dB。

4 性能测试

根据仿真结果，制作了串馈耦合微带阵列天线，采用耐磨、高强度的聚砜材料固定天线介质基板，天线罩采用低损耗、高强度、高透波的玻璃钢材料。图5给出了天线模型的实物照片。天线的馈电端口与50Ω特性阻抗的SMA型同轴连接器直接相连。

利用矢量网络分析仪对天线实物进行了测试，图6给出了天线的端口电压驻波比实测结果。

与仿真结果相比，高频段实测值有点频偏，主要原因可能是仿真是没有充分考虑SMA同轴连接器的影响，当天线的端口与SMA同轴连接器相连接后，相当于增加了地板的尺寸，这将会使各个谐振点位置产生偏移，但总的来说，实测结果与仿真结果较吻合。实测结果表明，天线最大VSWR £1.38，满足指标要求。

利用微波暗室系统对天线进行方向图测试，以下图7为天线方向图测试结果。

从测试结果可以看出，天线俯仰面（E面）波束宽度约为40°，水平面（H面）不圆度£1.3dB，与标准天线暗室测试功率电平进行比较，得到天线在工作频段内增益约为4.5dB。

5 结语

本文设计一种高增益全向微带天线，采用电磁耦合的方式进行馈电，实际制作了天线原理样机并对其电压驻波比和辐射性能进行了测量。测试结果，串馈耦合微带阵列天线具有良好的全向性，较高的增益，较宽的带宽，同时具有结构紧凑、易于加工、小型化等优点，该天线各项性能达到预期指标要求。

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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，硕士，工程师，研究方向：天线设计、波束设计。梁艺，女，硕士，工程师，研究方向：天线设计、数字信号处理。李耀敏，男，工程师，研究方向：天线设计、波束设计。