超短波宽带高增益稳定度全向阵列天线设计

张 欢，潘昱旭，郭庆功

(四川大学 电子信息学院，四川 成都 610065)

0 引言

超短波频段天线具有远视距通信特性，在各个领域的远距离通信中得到广泛的应用，尤其是海陆空点对点的远距离通信系统中。微带天线具有低剖面、易加工、成本低、能与有源器件集成等优点，随着无人机、特殊飞行器等无线通信系统应用需求的增长，要求微带天线获得更宽的带宽和更稳定的增益。研究者们提出阻抗加载[1-4]、新型并联馈电网络[5]、寄生技术[6]、U型槽[7]等一系列方法来拓展微带天线带宽。其中，文献[1]设计了一种共面波导馈电印刷全向偶极子阵列天线，通过添加阻抗调谐器(馈电处添加金属条)获得16.3%的阻抗带宽；文献[3]提出了一种安装在无人机上的宽带全向垂直极化天线；通过在添加短路引脚将阻抗带宽拓展为24.7%；文献[7]设计了一种宽带双波束微带天线，用U型槽技术实现了天线带宽的展宽，获得11.8%的阻抗带宽。然而，拓展的带宽仍然无法满足天线在某些频段的应用，并且在频段内全向特性相对较差，增益稳定性较低。为解决增益稳定性问题，研究者们提出开槽技术[8-10]来获得频带内平坦增益，文献[8]提出了一个基于基片集成波导技术的双开槽介质基片稳定增益印刷对数周期偶极子天线，通过引入开槽介质基板，使天线的阻抗带宽不明显地偏移，有效地提高了天线的低频增益，实现在33%的阻抗带宽内天线的增益稳定度为±0.75 dB。上述设计虽获得较为平坦的增益，但天线尺寸普遍偏大，无法满足许多实际工程需求。

为进一步拓展微带天线带宽并获得良好的增益稳定度，本文通过采用双面互补结构、添加非对称枝节、平行双线并联馈电等技术，设计实现了一款宽频带高增益稳定度微带阵列天线。

1 理论分析

印制偶极子天线主要有两种结构形式：① 偶极子的两个振子臂均印制在介质基板的同一面，然后用类平行耦合线分别与两个振子臂相连接。这种偶极子的方向图与普通对称振子相同，只是交叉极化比较严重，并且类平行耦合线与馈电同轴线之间要用巴伦来实现从非平衡结构到平衡结构的转换。② 偶极子的两个振子臂分别印制在介质基板的上下两面，然后用平行耦合线与两振子臂将介质基板上下两层相连。这种设计的交叉极化较低，而且馈电结构更为简单。

双偶极子型振子带宽展宽的原理可以看做是将振子臂加粗，从而使带宽变宽。也可将上下两层的振子臂看做是寄生结构，两层的振子臂互相耦合，从而展宽了带宽。偶极子的主要参数是振子臂的长度和宽度，而对其他的尺寸(例如振子臂之间的距离)没有严格要求。一般情况下，振子臂的宽度越宽，天线的带宽越宽。辐射单元振子臂总长近似为工作频率对应的自由空间波长的一半，实际设计中由于介质的影响，振子臂长略小于自由空间波长的一半。

采用平行双线对印刷偶极子单元进行馈电，其特性阻抗可以由宽度相等、介质厚度减半的微带线的特性阻抗来等效求得。平行耦合线的电磁场如图1所示。上下两层金属带线上的电流相差180°,方向相反；馈线工作在奇模状态，中间的对称平面看做电壁。设微带线与地板之间的电压值为U，电流为I，则微带线的特性阻抗定义为Zc=U/I。对平行耦合线，上下两带条之间的电压为2U，电流仍为I，于是推出平行耦合线的特性阻抗Z0=2U/I=2Zc。

图1 微带线与平行双线电场Fig.1 Electric fields of microstrip lines and parallel lines

2 天线设计与仿真

2.1 天线单元设计

天线单元如图2所示，因基板厚度增大时，Q值降低，频带变宽，并且天线结构不易发生形变，但也会增加天线的剖面高度和重量，故采用介电常数为2.65，厚度为2 mm的介质基板。偶极子辐射单元对称分布于上下两面，通过金属化过孔相连。通过在正反面加载支节匹配技术，展宽带宽。

图2 天线单元Fig.2 Antenna element

2.2 天线阵设计

为了进一步扩展天线的带宽，提高天线的增益，在单元设计好的基础上进行组阵。天线结构如图3(a)所示，采用功分网络和相同的微带结构从微带中心处进行并联馈电，组成天线二元直线阵，辐射单元间距略小于天线工作中心频点对应的介质波长。

图3 天线结构图Fig.3 Antenna structure

由图4可知，通过加载对称枝节并没有获得良好的驻波带宽和增益。

为满足设计要求，在上述天线基础上进行变换。如图3(b)所示。通过在微带线上加载宽度为0.8 mm的非对称支节对天线的阻抗进行匹配，加载位置分别在距离馈电点s1=50 mm，s2=80 mm处。通过非对称枝节可以改变辐射阵子上的电流分布，展宽工作带宽，获得频带内较高的增益稳定度。该天线采用对称结构，降低天线方向图不圆度，改善天线性能。

通过HFSS软件分别对加载非对称枝节、加载对称枝节和无枝节加载3款天线进行仿真，天线的仿真驻波比与增益对比如图4所示。可以看出，加载非对称枝节的印制偶极子天线驻波比在298～416 MHz频段内小于2，相对带宽为33%；而加载对称枝节和无枝节加载的天线驻波比在2以下的相对带宽分别为10.3%和11.6%。可见非对称枝节能很好地改善天线的驻波带宽。对比于频带内加载对称枝节和无枝节加载的印刷偶极子天线增益变化，加载非对称枝节的天线能明显提高高频增益，在频带内具有更高的增益稳定度。天线的整体宽度较小，枝节与辐射臂之间距离过小，加载的枝节越长对天线的振子臂辐射影响越大。加载非对称枝节通过减短一对枝节不仅可以减少其对辐射臂的影响，而且能拉开枝节间的距离，从而可以减小枝节间的影响。通过调节枝节的位置和长度可以改变辐射阵子上的电流分布，展宽工作带宽，获得频带内较高的增益稳定度。

图4 天线驻波比、增益仿真对比图Fig.4 Simulated VSWR,Gain of antennas

3 阵列仿真与实验测试分析

根据天线阵列仿真制作了1×2全向印刷天线样机，天线实物如图5所示。在实物基础上分别就阻抗匹配和辐射特性进行实验验证。天线驻波、增益仿真与测试结果如图6所示，天线在0.30,0.35,0.40 GHz仿真和测试的归一化方向图如图7和图8所示。

图5 天线实物图Fig.5 Photo of antenna

图6 天线驻波比、增益仿真与测试结果图Fig.6 Simulated and measured VSWR，Gain of antenna

图7 天线在0.30,0.35,0.40 GHz测试方向图Fig.7 Simulated radiation pattern at 0.30,0.35,0.40 GHz

图8 天线在0.30,0.35,0.40 GHz测试方向图Fig.8 Measured radiation pattern at 0.30,0.35,0.40 GHz

从上图可以看出，天线测试VSWR在298～440 MHz频带内小于2，驻波带宽达到38%。在300～400 MHz频带内，天线仿真增益稳定度为±0.5 dB，测试结果为±0.45 dB。在该频带内仿真结果不圆度小于0.2 dB，测试结果小于±1.5 dB，相对于仿真结果较差，分析原因可能是因为天线测试过程中，无法保证天线馈电中心线与标准天线馈电中心线在一条直线上。天线测试结果与仿真结果吻合较好。

4 结束语

采用对称结构和加载非对称枝节技术，实现了一款超短波宽带高增益稳定度全向印刷阵列天线，在有效拓展带宽的基础上实现了工作频带内的高增益稳定度。天线的阻抗带宽达38%，工作频带内的增益稳定度为±0.45 dB,更适用于无人机等对天线有低剖面、轻重量严苛要求的应用场景。