基于同轴双环缝隙结构的水平全向天线阵列设计

邹祎玮，张家豪，郭庆功

（四川大学电子信息学院，四川成都，610065）

0 引言

波导缝隙阵列天线是一种结构紧凑的，具有机械坚固特性的天线。近年来，为了高速移动目标通信的发展，波导缝隙阵列天线层出不穷，对于波导缝隙全向天线，传统的设计方法主要有采用矩形波导双面开缝隙[1-3]和圆波导的侧壁上开辐射缝隙[4-6]，以及由波导组成的圆环阵[7-8]。其中文献[1]设计了一种工作在C 波段波导缝隙全向天线。通过在一组装扁矩形波导两个宽面上开设数条对穿辐射裂缝构成缝隙天线阵列，通过尽可能通过减小矩形波导的窄边长度实现全向辐射，不圆度为2dB。文献[5]通过调谐激励探针的方法来激励圆波导辐射缝隙，从而实现全向天线的性能，圆波导的模式决定缝隙的全向辐射，模式转换器对波导进行模式转化增加了馈电设计的复杂性。文献[8]是通过SIW 围成圆筒状结构，这种全向天线的便于加工成阵列，增益较高，但不圆度4.6dB，结构复杂，功分器加工难度较大。故面对波导缝隙天线不圆度的设计要求和馈电问题，近年来有学者尝试采用同轴波导缝隙来解决[9-11]。然而，这种天线属驻波阵，一般是窄带的，很难满足系统的宽带要求，文献[10]通过旋转缝隙的角度拓宽了带宽，但同时改变了天线的极化方向。本文基于同轴波导的特性设计实现了水平全向阵列天线，在同轴波导的外壁开设一系列的辐射缝隙，拓宽带宽的同时保持天线的极化特性，仿真结果显示，该阵列天线在水平面上的不圆度较好，并且实现了2.77GHz-3.02GHz 的阻抗带宽。

1 同轴缝隙结构理论分析

同轴线是由内、外两个导体组成的传输线，内外导体之间填充介电常数为Ɛ，磁导率为μ 的介质材料，同轴线传输的主模是TEM。但在实际应用中，随着工作频率的提高，也会有其他模式如TE，TM 模式的干扰[12]，同轴线各个模式的截止波长如图1 所示。所以为了同轴传输单一的TEM模式，需要控制同轴内外径的尺寸。

图1 各个模式的截止波长

根据耦合原理的不同，缝隙同轴波导可以分为两种类型：表面波缝隙和辐射型缝隙[13]，区别主要在与缝隙周期的不同，耦合型主要是电磁波以表面波的形式存在，基本没有辐射。辐射型由缝隙之间的辐射场叠加形成强辐射。对于该天线而言，需要减少天线的耦合，增强其辐射性。同轴线的辐射波中存在存在高次模，高次模会影响天线的辐射，也会互相影响，单模辐射的电磁波具有良好的频带和辐射特性。由于高次模的负面影响，所以需要对同轴波导采用抑制高次模的方式来拓宽单模的带宽。

假定传输方向为z 方向，利用floquet 原理可以将可以将电缆附近的电场表示为[14]：

拓宽单模频带的范围，需要抑制高次谐波模式，传统的抑制高次模式的方式主要有开八字缝，U 型缝等方式改变缝隙的辐射角来解决，但这些方法都会改变天线的极化方向，通过采用在原来缝隙的一定距离处又新开一组尺寸相同的缝隙抑制掉高次的谐波，同时也能保持天线的极化特性，如图2 所示。

图2 开双缝的同轴

对于垂直极化的缝隙同轴来说，P1为原有缝隙与新增缝隙之间的距离，原有缝隙产生的电场为Ep(r,φ,z)，新增的缝隙产生的缝隙为Ep2(r,φ,z)，可以当作Ep(r,φ,z)的平移，根据公式(1)，可以得到：

由叠加定理可以知道：

所以总的电场为：

由总的电场的公式（4）可以得到，如果要抑制掉2 次谐波，就需要=0，所以P1=P/4，所以只需要在原缝隙距离P/4 处再开一组缝隙，就可以抑制二次谐波的影响，拓宽单模辐射的频带。

2 天线设计

该天线的设计在结构上可以分为辐射，匹配，馈电三个部分。对于天线的辐射部分，基于波导缝隙天线的基本理论，在同轴波导的外导体上采用开横向缝隙的方式，切割沿轴线的电流。缝隙上会产生位移电流，每一个缝隙都相当于一个辐射源，辐射出垂直极化的电磁波。缝隙长度为λg/2，考虑到不圆度以及天线尺寸的因素，围绕着同轴一圈开一组四条横缝，就会形成全向的辐射，每一组缝隙之间的距离为1个介质波长，这使得每组缝隙的馈电相位相同，形成同相叠加使得天线辐射增益垂直于轴向，也就是在水平面上。同时在内外导体之间填充了介电常数为2.1 的Teflon 材料，填充材料的原因主要使得缝隙之间的物理间距等于0.75 个自由空间波长。在自由空间上保持着0.75 个空间波长，能够抑制阵列天线的栅瓣，让天线的辐射集中在水平面上，与此同时天线内填充的介电材料会因为介电常数的原因缩小尺寸。天线末端需要进行封闭的形成短路面，引起的反射波会影响天线的匹配以及扰乱电流，严重影响方向图和天线的匹配，可以将最后一组缝隙和末端短路面当作匹配结构，通过调整最后一组缝隙和短路壁之间的距离，形成与前面三组缝隙之间的匹配结构，减小短路面引起的反射波对S11的影响，所以最后一组缝隙不仅能够辐射电磁波，它还相当于一段末端匹配。

图3 全向天线整体结构图

在同轴上开单一缝隙时，所需要的频带范围内会有多个谐振点，多个谐振点带来的带宽不足的问题。以及同轴的高次模式影响单模的频带特性，为了拓宽缝隙同轴波导的单模工作频率，这里可以通过增加平行缝隙的方式来抑制高次谐波模式，由于主要影响的是2 次谐波，后续的高次谐波对天线性能的影响微小且如要抑制高次谐波则开的缝隙越多会影响天线的的性能，所以主要考虑对2 次谐波的抑制根据公式(2)，计算得到在天线的原有缝隙距离P/4 处又新开一组平行缝隙，如图4 所示，仿真结果如图5 所示，可以看到相比较与单缝，开抑制谐波的双缝隙的天线带宽显著拓宽。

图4 同轴开单缝隙和双缝隙

图5 开单双缝隙的S11 对比

对天线辐射部分的馈电设计是采用理想波端口，考虑到实际工程中的应用，天线的馈电一般采用的标准SMA 接头，所以对于天线的辐射部分和馈电部分，需要通过一定的阻抗变换来匹配。

为了进一步优化天线的匹配，在辐射部分和馈电部分之间进行匹配的设计，天线的输入阻抗会随着频率的变化而改变，单一的阻抗匹配在一定的频段宽度内不能完成宽带匹配，所以根据所需频段采用三组不同尺寸的变化对该天线进行匹配。将理想馈电的天线辐射部分得到的S11与标准馈电的50Ω放入电路仿真软件中进行阻抗匹配和结果优化，达到在所需频段的S11小于-10dB。

图6 电路仿真图

上述电路仿真软件中优化得到的三段不同的阻抗值和电长度，转换到同轴结构中得到三段级联的不同半径和长度的同轴线，在标准SMA 接头与天线的匹配部分之间，选择一段锥形变化的同轴结构，该方法可以保持同轴的阻抗不变的情况下，对小尺寸的馈电和大尺寸的匹配部分进行一段连接，避免由尺寸突变引起的损耗。

如图7 所示，得到天线的匹配和馈电部分，将其和辐射部分组合共同进行优化仿真，同轴波导缝隙全向天线最终得到的VSWR 如图8 所示，在2.8GHz-3GHz 范围内的VSWR小于2，增益方向图如图9 所示，在2.8GHz 时，水平方向上增益为6.2dBi，不圆度为0.8dB；2.9GHz 时，水平方向上增益为6.8dBi，不圆度为1dB；3GHz 时，水平方向上增益为6.8dBi，不圆度为1.3dB。

图7 天线的匹配和馈电

图8 天线VSWR 结果

图9 天线在2.8GHz，2.9GHz，3GHz 方向图

3 总结

本文根据同轴波导传输理论和谐波抑制原理，设计了馈电简单，不圆度良好的水平全向阵列天线。该天线采用了同轴波导结构，通过开平行双缝隙的方式抑制谐波，拓宽了同轴的单模模式带宽，采用了三节不同尺寸的级联同轴实现了在2.77GHz-3.02GHz 内的VSWR 小于2，同时在水平面上的不圆度小于1.3dB，更加适用于高速移动的系统。