一种具有雷电防护功能的高增益垂直极化全向赋形天线设计

景小东 刘肃正 王维云

(1.中国西南电子技术研究所,四川 成都 610036;2.陕西烽火诺信科技有限公司,陕西 宝鸡 721006)

0 引言

随着通信技术的发展,对高增益全向天线的需求越来越高。远距离地空通信系统中,在地面站天线低仰角波束范围内,需要实现较高的增益以满足通信距离要求。尤其在机场等地面基站远距离、低仰角通信系统中,由于通信目标可能出现在任意方向,在满足大功率、高增益需求的同时,需要天线方向图能够实现水平360°覆盖。而对于安装在高处的远距离通信天线通常需要做防雷电处理。

传统基站天线系统中,全向天线的应用很广泛,文献[1]～[4]提出了几种应用于移动通信基站的高增益全向天线,最大辐射方向在水平面,仰角增益较低。文献[5]提出了一种赋形天线,由于波束赋形范围较小,通信范围受限。文献[6]～[7]提出了2种采用遗传优化算法实现宽角度波束赋形的天线,弥补了方向图波束覆盖的不足,但由于天线形式限制无法满足远距离通信系统大功率的需求。

本文设计了一种大功率高增益全向赋形天线,工作频段为1.41～1.46 GHz。天线采用印刷偶极子天线作为天线单元进行赋形设计,通过遗传算法优化阵元激励幅度和相位进行馈电,使天线在低仰角范围内具有较高的增益,4组赋形子阵列360°均匀分布,实现方向图全向覆盖。通过适当增加印制板覆铜厚度满足大功率需求,同时在天线中心设计避雷针起防雷作用。仿真设计并加工制作了天线实物,测试结果表明,该天线适用于地面站远距离通信系统。

1 天线设计

本文设计了一种用于地面远距离通信的系统,具有防雷功能的大功率垂直极化全向赋形天线。如图1所示,它由4块印制板辐射体、印制板安装架、4根等长度射频电缆、一分四功分器、天线罩、上下底盘及避雷针几部分组成。一分四功分器固定安装于下底板中心位置,印制板安装支架通过底部支架与功分器连接为一体,每个印制板辐射体分别固定安装于安装支架一侧,绕支架中心间隔90°均匀分布排列,4块印制板与功分器4路出口之间通过4根等长度同轴射频电缆电连接。为了防雷,需要在底座的接地平面中心安装直径为20 mm 的金属避雷针,避雷针通过安装支架中心连通上下底板且伸出上底板,圆柱形天线罩与上下底板之间固定安装,起屏蔽保护作用,如图1(a)所示。

图1 天线结构组成

为实现天线俯仰面在低仰角区域内方向图赋形要求,使方向图俯仰0°～40°波束范围内有较高的增益,选用印刷偶极子天线作为天线辐射单元。4个印刷偶极子单元垂直排布在印制板上,采用遗传算法实现阵列方向图优化。首先建立数学模型,将初始仿真的阵列单元方向图代入数学模型,通过遗传算法的不断迭代,数学模型收敛到某一组解,将该组解代入电磁仿真软件高频结构仿真(HFSS)模型中进行仿真计算。如果计算结构满足要求,则退出优化,反之则继续优化过程。程序优化界面如图2所示。

图2 优化程序界面

由于印刷偶极子波束宽度的限制,每组赋形子阵列只能覆盖方位面120°左右的区域。选用4组子阵绕中心均匀旋转的排布来实现方位面全向波束覆盖需求,4组子阵分别垂直安装在方形安装支架一侧,如图1(b)所示。通过4根等长度射频电缆分别与一分四功分器4路出口连接,合成1路馈电,图1(c)为功分器外形尺寸图。为满足天线大功率的需求,加工印制板时适当增加基板表面覆铜厚度至0.1 mm,使辐射印制板能够承受更大的功率容量。设计的圆柱型天线罩对天线内部器件起屏蔽和保护作用。

根据仿真设计结果加工了天线实物,如图3(a)所示,不含避雷针天线外形尺寸为258 mm×700 mm。表1给出了部分关键尺寸。

图3 天线实物照片

表1 天线尺寸(mm)

2 仿真和实测结果

在工作频段1.41～1.46 GHz内,仿真和实测的电压驻波比(VSWR)如图4所示。可以看出,仿真结果和实测结果基本吻合,整体略好于实测结果。这些差异主要是由于制造、装配和测量误差造成的。仿真时,天线模型是处于理想状态下,与实际装配完成的实物会有差异,也造成仿真结果与实测结果不符。图4表明,在工作频带内,仿真和实测的电压驻波比均小于1.3。

图4 VSWR 的仿真与实测对比图

天线在中心频率1.435 GHz处的归一化辐射方向图如图5所示。从图5(a)可以看出,天线在俯仰面0°～40°(图5(a)中50°～90°区域)范围内实现了方向图波束赋形,弥补了俯仰组阵后的方向图零点,天线增益随着俯仰角度的增加逐渐平缓降低,俯仰角0°、5°、15°、30°和40°增益分别为5.2 dB、5.8 d B、0.5 dB、-7.5 d B和-10.2 d B。由图5(c)可以看出,该天线水平面辐射方向图呈圆形,不圆度小于2 dB,能够实现方向图水平全向辐射。

图5 天线辐射方向图的仿真与实测对比图(F=1.435 GHz)

3 结束语

本文提出了一种具有雷电防护功能的大功率高增益垂直极化全向赋形天线。天线采用印刷偶极子天线作为天线单元进行赋形设计,通过遗传算法优化阵元激励幅度和相位进行馈电,4组阵列360°均匀分布实现方向图全向覆盖。根据仿真结果加工了天线实物并进行测量,测试结果与仿真结果吻合良好。测试结果表明,该天线实现了垂直方向波束赋形,方向图覆盖水平360°,水平面增益大于5 d B,在俯仰0°～40°范围内,增益随着俯仰角度增加逐渐平缓降低,适用于地面站通信系统。