全向天线的组合设计

郑慕昭 张 军 张雪芹 闫兴锋

(西安电子工程研究所 西安 710100)

0 引言

在一些通信或者雷达领域会使用全向天线，全向天线有水平极化、垂直极化和圆极化。垂直极化近似电偶极子的辐射，水平极化近似磁偶极子的辐射。全向天线通常是指天线的方向图在水平面内是一个无方向性的圆，正是由于这个特点，全向天线要求方位全向没有其他金属或者其他强反射物体干扰，否则会严重影响天线方向图。

本文设计和加工了一个L波段垂直极化全向天线和一个S波段水平极化全向天线，要求两个天线可以同时工作，互不影响，同时考虑安装平台的限制两个天线只能上下排布。因为两个天线都是方位全向辐射，如何设计可以使得排布在上面的天线甩下来的电缆不影响排布在下面天线的方向图，是设计时重点要考虑的问题。

1 天线理论设计

垂直极化全向天线主要形式有单极子或偶极子天线及其变形形式、同轴CTS天线、串馈式交叉共轴天线(COCO天线)、微带交叉阵子天线[1]、双锥或单锥天线[2]等。单级子或偶极子增益太低，而单级子或偶极子组成阵列需要功分网络，结构很复杂，而且功分网络可能会影响辐射性能，同轴CTS天线、串馈式交叉共轴天线(COCO天线)和微带交叉阵子天线则由于带宽不够或者尺寸太大不能满足要求，而单锥天线俯仰面波束会上倾，最终选择双锥天线的形式。

水平极化全向天线辐射类似磁偶极子，由于磁偶极子并不存在，其实现形式一般为Alford环[3]、偶极子圆形阵或方形阵[4-6]，微带阵[7-8]等，但是这些天线形式都很难解决上面双锥天线甩下来的电缆对方向图的影响，这样方位不圆度无法保证，为此选用波导缝隙天线形式并做了改进设计。

2 天线设计和仿真

双锥天线采用同轴馈电，同轴外导体和双锥天线下面部分相连，内导体和双锥天线上面部分相连。但是这样的L波段双锥天线直径通常较大，为了缩小天线直径同时改善天线的驻波特性，在双锥天线的上下锥部分加金属圆柱环。建立仿真模型如图1所示。

图1 双锥天线模型

仿真结果如图2至图7所示，天线驻波小于1.2，不圆度小于0.5dB，增益大于2dB，俯仰面波束宽度大于60°。

图2 双锥天线三维方向图

图3 双锥天线低频方位面仿真方向图

图4 双锥天线高频方位面仿真方向图

图5 双锥天线低频俯仰面仿真方向图

图6 双锥天线高频俯仰面仿真方向图

图7 天线仿真驻波曲线

水平极化全向天线选用波导缝隙天线形式并做了改进设计，如图8所示，波导右侧腔体既可以屏蔽电缆，也可以使得波导缝隙天线方位面的方向图更加对称。

图8 组合天线仿真模型

仿真结果如图9至图15所示，可以看到工作频带内天线驻波小于1.3，不圆度小于3dB，增益大于2.5dB，俯仰面波束宽度在60°左右。

图9 波导缝隙天线低频方位面仿真方向图

图10 波导缝隙天线中频方位面仿真方向图

图11 波导缝隙天线高频方位面仿真方向图

图12 波导缝隙天线低频俯仰面仿真方向图

图13 波导缝隙天线中频俯仰面仿真方向图

图14 波导缝隙天线高频俯仰面仿真方向图

图15 波导缝隙天线仿真驻波曲线

3 实测结果与分析

加工出来的天线如图16所示，天线直径仅为70mm，长度380mm。对天线实物进行测试，方向图测试是在远场条件下进行的，结果如图17至图28所示。

图16 天线实物照片

图17 双锥天线低频方位面实测方向图

图18 双锥天线高频方位面实测方向图

图19 双锥天线低频俯仰面实测方向图

图20 双锥天线高频俯仰面实测方向图

图21 双锥天线实测驻波曲线

图22 波导缝隙天线方位面低频实测方向图

图23 波导缝隙天线方位面中频实测方向图

图24 波导缝隙天线方位面高频实测方向图

图25 波导缝隙天线俯仰面低频实测方向图

图26 波导缝隙天线俯仰面中频实测方向图

图27 波导缝隙天线俯仰面高频实测方向图

图28 波导缝隙天线实测驻波曲线

由实测结果可以看到，双锥天线驻波小于1.4，不圆度小于1.3dB，增益大于2dB，波导缝隙天线驻波小于1.6，不圆度小于3dB，增益大于2dB。天线实测性能与仿真结果相差不大，差异主要是由于宽波束天线在远场受环境影响较大以及天线加工装配过程中的误差造成的。

4 结束语

本文通过组合设计使得一个L波段垂直极化全向天线和一个S波段水平极化全向天线上下排布在直径为70mm的圆柱形天线罩内，工作互不影响。实测L波段和S波段天线增益均大于2dB，驻波均小于1.6，不圆度分别为1.3dB和3dB。