一种宽带平面水平极化全向天线∗

侯爱霞

(重庆科创职业学院人工智能学院，重庆 402160)

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，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。通常垂直极化全向天线的实现较容易，有单极天线[1－2]、双锥天线[3]等形式。由于磁偶极子并不存在，所以水平极化全向天线通常采用单元组阵来实现，常见的形式有:缝隙阵[4－5]，圆柱微带阵[6－7]，旋转场天线[8－10]，环天线及其变形等[11－13]。文献[5]中的缝隙全向天线具有全向性好的优点，但尺寸较大，匹配带宽也较窄。文献[6]为圆柱微带阵，辐射方向图具有良好的全向性，但是天线在实际生产加工中并不方便，尺寸较大。文献[9]为旋转场天线，该天线可以在很宽的频带内保持输入阻抗变化不大，但是，天线需要对两端口正交馈电，馈电结构复杂。环天线变形中常见的“苜宿叶”型天线[14]通过等效均匀电流环来实现全向水平极化辐射，但是此类天线由于馈电匹配较难，馈电结构不对称，全向性方向图的圆度并不理想。

据研究，发射端和接收端都采用水平极化天线的系统比发射端和接收端都采用垂直极化天线的系统可以多获得平均10 dB 的功率[15－16]。因此研究水平极化全向天线有着重要的现实意义。

本文提出一种新型宽频带宽波束水平极化全向平面天线，天线基于旋转场天线原理，省去复杂的馈电网络。由于Vivaldi 天线具有宽频带、端射等特点，4 个印刷的Vivaldi 天线旋转后通过功分器与微带线匹配结构得到该水平极化全向天线。阻抗带宽3.6 GHz～6.6 GHz(S11<－10 dB)，实测不圆度小于3 dB。半功率波束宽度不小于120°。

1 天线结构设计

天线在满足水平极化特性和全向辐射方向图的同时，还具有一定的宽频带和平面化的优势，本文设计了工作频带为3.6 GHz～6.6 GHz 的正方形结构的平面天线，结构如图1 所示。该天线由4 个旋转的Vivaldi 天线与馈电网络构成。Vivaldi 天线指数函数设为:

图1 全向天线结构图

4 个端射的Vivaldi 天线形成全向辐射，同时4个Vivaldi 天线的极化方向呈现水平旋转，省去对馈电网络的输出端口相位正交的需求。馈电网络只需要一分四功分器以及相应匹配结构，简化了旋转场天线复杂的馈电网络，采用阶梯型微带线阻抗变换器，满足宽频带的特性。天线印刷在方形的PCB上，通过SMA 在方形介质板的中心馈电，介质板采用FR4，介电常数4.4，厚度0.5 mm。采用电磁仿真软件HFSS 对天线结构参数进行优化，其优化后的尺寸见表1。

表1 天线尺寸参数

2 原理与仿真分析

2.1 超宽频带Vivaldi 天线

Vivaldi 天线是一种典型的端射行波天线(Terminal wave antennas，TWAs)。它可制作为印刷型天线，有低剖面、轻质量、易于安装与集成等优点。渐变槽线天线在阻抗带宽方面有着显著优势，并具有增益稳定，方向图对称等特点，

传统Vivaldi 天线采用微带线耦合馈电，结构示意图如图2 所示，天线的辐射方向是由较窄的槽线端过渡到较宽的槽线端，两侧槽线的电场沿着槽线且方向相反，磁场从一侧指向另一侧。槽线是按照式(1)指数变化，槽线终端为圆弧形短路状态，用于调节阻抗。耦合馈电的微带线结构为实线部分，天线背面为指数渐变槽线，正面为终端开路的微带线，微带线与槽线相互垂直，重合处为耦合馈电点。

图2 Vivaldi 天线工作原理图

设指数渐变线内电场沿x轴方向分布，b为渐变线宽度，渐变线内的电场E可由下式得到

式中:

为了简化馈电网络与Vivaldi 天线的阻抗匹配，微带线馈电端口阻抗设为100 Ω，通过调节微带线特征阻抗和延长部分长度，以及调节短路槽线在微带线另一侧延长部分长度。通过HFSS 优化后得到Vivaldi 天线的反射系数以及辐射方向图如图3所示。

如图3(a)所示为Vivaldi 天线采用微带端口馈电时反射系数的仿真结果，天线阻抗带宽为3 GHz～15 GHz(dB<－10 dB)，图3(b)呈现出端射辐射方向图，H 面呈现宽波束特性，半功率波束宽180°。所以在组合后的全向天线同样呈现宽波束特性。

图3 Vivaldi 天线仿真结果

2.2 全向天线

由4 个旋转的水平E 面方向图组合为水平全向辐射，如图4 所示。组合后的全向天线的H 面方向图为Vivaldi 天线的H 面方向图。

图4 4 个Vivaldi 天线旋转全向示意图

如图5 所示，四个旋转的Vivaldi 天线采用一分四功分器馈电，Vivaldi 天线输入阻抗为100 Ω，即功分器负载ZL＝100 Ω，由于功分器采用50 Ω 同轴馈电，故源阻抗Zs＝50 Ω，节点阻抗ZL1＝200 Ω，取输入阻抗ZL1＝150 Ω。

图5 功分器与微带线匹配结构图

功分器与微带线阶梯阻抗匹配仿真结果如图6所示，由于参数特性，数据是重合的。从仿真结果中可以看工作带宽为3 GHz～6.5 GHz(S11<－10 dB)，微带线阶梯阻抗匹配的带宽决定了全向天线的阻抗带宽。

图6 功分器的S 参数仿真结果

Vivaldi 天线与带有阻抗变换的功分器结合在一起组成平面全向天线，仿真天线表面电流分布图如图7 所示，4 个Vivaldi 天线同相馈电时，带有槽线的正方形表面的电流分布图。可以看到4 个Vivaldi 天线表面上电流首尾相接，形成了较均匀的同相环状电流。其表面均匀同相电流分布等效电小环，因此形成了在垂直面“∞”字形、水平全向的辐射方向图。

图7 全向天线表面的电流分布图

3 结果

如图8 所示为测试与仿真S参数，全向天线的阻抗带宽3.6 GHz～6.6 GHz(S11<－10 dB)。右下角为天线实物加工照片与测试照片。通过分析全向天线的阻抗带宽主要由微带阻抗变换器带宽决定。实测结果与仿真结果偏差了100 MHz，造成这一结果的原因包括:实际接头焊接引入寄生参数，导致匹配恶化；加工误差导致天线频率发生偏移。

图8 全向天线反射系数

天线仿真的辐射方向图如图9(a)所示，测试归一化后的方向图如图9(b)所示。天线在整个工作带宽内辐射特性和小环天线相似。天线在E 面上产生全向水平极化辐射的特性，不圆度良好。H 面产生“∞”字形辐射特性，在6.0 GHz～6.5 GHz 处由于Vivaldi 天线最大辐射点不在顶点，导致全向天线H 面的最大辐射方向不在水平方向上，6.5 GHz 时出现凹陷，故6 GHz～6.5 GHz 的E 面辐射方向图出现波动，实际测试表现更为明显，6.5 GHz 时实际测试E 面辐射方向图的不圆度小于3 dB，导致方向图不圆度恶化的原因主要包括接头焊接点焊锡不对称，导致能量分别配不均匀，以及PCB 阻焊绿油对辐射性能的影响。

图9 全向天线方向图

5 结论

本文设计了宽频带宽波束平面全向天线，基于旋转场天线却省去复杂的馈电网络，天线结构紧凑。该天线辐射水平极化波，E 面为水平全向的“O”字形，H 面为垂直面“∞”字形，实际测试全向天线阻抗带宽3.6 GHz～6.6 GHz，Vivaldi 天线H 面具有宽波束特性，旋转后形成全向天线在H 面上同样具有宽波束特性，半功率波束宽度大于120°。该平面天线印刷在PCB 上，易于与系统集成与安装。