一种宽带并馈全向天线的应用

张 军，李 杼

(中国人民解放军92941 部队，辽宁 葫芦岛 125001)

0 引言

全向天线[1-2]是对规定极化，在给定平面内(通常用水平面)，辐射强度基本上是无方向性的天线，如一般的垂直极化水平全向天线其水平面不圆度数值不大于3 dB。全向天线用途广泛，如最简单的收音机天线、广播电台天线、常规通信天线等，因为目标的位置信息未知，所以利用全向天线可以保证全方位地接收和发射信号[3-8]。

随着频谱的划分越来越细，频谱的使用越来越密，如果对应频谱均需要一个天线来实现收发功能的话，就需要一个庞大的数量。为了提高天线资源利用率，宽带天线的使用越来越多，它的宽带特性可以使单付天线替代多个窄带天线所具有的功能，从而减少天线数量，在一定程度上解决天线布置时位置争夺和天线间互相干扰的电磁兼容问题。双锥天线[9-11]、单极子天线[12-14]和套筒天线等都是常用的全向天线。

单个全向天线的正常增益一般在0～2 dB，因为增益相对较小，在很多情况下难以满足很多系统的使用要求。为了提高天线的增益，通常采用组阵的形式来提高天线的水平面增益，多采用垂直面组阵的形式，串联馈电或并联馈电是比较常见的馈电方式。串联馈电受天线电长度以及单元天线间距的影响较大，只能在很窄的频带宽度内保证天线具有较好的电性能，这个频带宽度一般不大于10%[15]；并联馈电可以保证单元天线的幅相一致性，且具有较宽的频带带宽，是需要具有宽带特性时更为普遍使用的方式。文献[16]采用一种并联馈电的方式实现了950～1 300 MHz(31%相对带宽，VSWR≤2)全向天线，该天线由4个偶极子垂直面组阵而成，其最大增益为4.4 dB，不圆度小于2.4 dB。文献[17]也研究了4个偶极子垂直组阵而成的并馈全向天线，为了展宽带宽和改善不圆度，引入了垂直金属臂和寄生偶极子结构，实现了57.9%(VSWR≤2)的相对带宽，增益大于2.5 dB。文献[18]通过在柱状天线的外导体上开环状缝隙，缝隙2端接柱状阵子臂的方式实现了2单元组阵的全向天线，该天线在500～670 MHz频段(29%相对带宽，VSWR≤2.5)水平增益大于3 dB。文献[19]采用并馈方式，将印制在介质板上的2个偶极子组成阵列，实现了800～930 MHz和1 700～2 050 MHz的双频段工作。

本文通过引入垂直于介质板的寄生金属贴片，采用并联馈电的方式，改善了天线的不圆度，在81.7%的相对带宽内，不圆度小于2.5 dB。天线的整体尺寸为80 mm×410 mm。

1 天线设计

印制板偶极子是目前常见的一种平面偶极子形式，其结构简单、易于加工、剖面低、性能稳定，各天线单元的一致性好。图1(a)为常规的平面印制板形式，这种偶极子形式虽然也具有较宽的频带带宽，但由于其平面结构不对称。电流分布不均匀导致电场分布不均匀，表现在远场特性上其水平面方向图存在较大起伏，即不圆度数值较大，影响天线的全向性。图1(b)为常规的三维偶极子形式，具有体结构，它可以看成由图1(a)的平面偶极子以中心轴旋转360°而成，结构上具有旋转对称，其水平面各向同性，电场分布十分均匀，表现在远场特性上其水平面方向图起伏很小，即不圆度数值很小，这种形式是全向天线最常用的形式，同时具有宽带特性。本文提出的图1(c)的单元天线形式采用在垂直介质板的方向加载寄生金属片，也可以看成图1(a)与图1(b)的中间形式，这种形式结合平面印制板偶极子和三维偶极子的优点，既具有平面形式结构简单、易于加工的特点，又具有三维形式的旋转对称结构的特点，形成了一种具有结构简单、宽带特性、不圆度数值较小的单元天线。

(a)印制板 (b)三维 (c)本文图1 偶极子天线Fig.1 Dipoles

图2给出图1几种偶极子天线形式的典型水平面不圆度对比。仿真结果显示，本文提出的单元天线形式具有较好的全向特性，其不圆度数值虽然达不到三维偶极子形式的水平，但是明显优于印制板偶极子天线的不圆度数值，寄生单元对不圆度有着明显的改善作用。

图2 不同形式偶极子典型不圆度Fig.2 Typical gain variation of dipoles in different forms

宽带并馈全向天线的几何结构如图3所示。

(a) 三维视图

(b) 正视图 (c) 侧视图图3 天线几何结构Fig.3 Geometry of the proposed antenna

由图3可以看出，该天线由2个印制在介质板(相对介电常数为2.55，损耗正切为0.001 1，厚度为2 mm)上的偶极子和垂直于介质板的2对寄生金属贴片组成。印制在介质板上的偶极子的2个臂分别印制在介质板的2侧，采用并馈方式组成两元偶极子阵列，馈电点在介质板的几何中心，馈电线采用平行双线形式，其中一条馈电线2端分别连接2个单元天线的上臂，另一条馈电线2端分别连接2个单元天线的下臂。2对寄生金属贴片采用了非对称结构。2个单元天线的中心间距为dele，单元天线振子宽度为w，振子长度为l，馈电线宽度为w1。利用两元天线垂直组阵，可以压缩天线垂直面波束宽度，提高水平面方向的增益。该天线经优化后的参数值为：dele=260 mm，w=80 mm，l=150 mm，w1=2 mm，ld=80 mm。

印制在介质板上的2个偶极子为面结构，会导致在频率高端的电流分布各向不一致，使天线的全向性恶化，为了提升全向辐射能力，本文提出了如图1(c)形式的天线形式在垂直介质板的方向加载寄生金属片的方法，可将平面二维结构等效成为三维立体结构，寄生片形状与振子相同。如图3结构，为了方便射频同轴馈电电缆的走线，2个单元天线靠中间部分的寄生单元各截取了一半。

图4给出了寄生金属片对天线VSWR和不圆度等性能的影响。通过仿真结果可以看出，在引入寄生金属片后，不仅对天线工作频率低端的阻抗匹配有所改善，而且对整个工作频段(特别是工作频段高端)的不圆度改善非常明显。在引入寄生金属片后，在810～2170 MHz频段VSWR<2.5，在800～2 290 MHz频段不圆度小于2.5 dB。

(a) VSWR

(b) 不圆度图4 寄生金属片对天线性能的影响Fig.4 Effects of parasitic metal patches on antenna performance

为了进一步说明该天线的工作原理，分别对参数w，dele，w1取不同数值时，天线的VSWR和不圆度的性能进行了仿真分析，结果如图5所示。由图5可以看出，当w增大时，1.4～2.0 GHz频段的阻抗匹配获得了改善，但这一频段的不圆度恶化了；当w较小时，1.4～2.0 GHz频段的阻抗匹配恶化了，但这一频段的不圆度改善了。

(a) VSWR

(b) 不圆度图5 w取不同值时的仿真结果Fig.5 Simulation results with different values of w

图6给出了dele取不同值时的仿真结果。由图6可以看出，dele对工作频段高端的阻抗匹配和不圆度影响都很显著，这主要是由于dele会影响2个偶极子单元的馈电相位。图7给出了改变w1时对天线VSWR和不圆度的影响，w1变化时对不圆度影响较小，但对阻抗匹配影响显著。

(a) VSWR

(b) 不圆度图6 dele取不同值时的仿真结果Fig.6 Simulation results with different values of dele

(a) VSWR

(b) 不圆度图7 w1取不同值时的仿真结果Fig.7 Simulation results with different values of w1

2 测试结果与分析

为了进一步验证天线的性能，按照优化过的参数，对该天线进行加工和测试，实物如图8所示。

图8 天线实物Fig.8 Picture of the proposed antenna

图9给出了电压驻波比仿真和实测结果的对比结果。实测结果显示，在800～2 100 MHz频段，天线电压驻波比小于2.5。

图9 实测和仿真电压驻波比Fig.9 Simulated and measured VSWR of the antenna

图10给出了实测和仿真增益值。

图10 实测和仿真增益值Fig.10 Simulated and measured gain of the antenna

由图10可以看出，800～2 100 MHz频段，该天线在水平面上的最大增益大于3.5 dB。图11给出了实测和仿真不圆度的曲线，在800～2 100 MHz频段，实测不圆度小于2.5 dB。图12～图14分别给出了该天线在850，1 500，2 000 MHz频点的方向图的实测和仿真结果，二者吻合度较好。因受到射频电缆走线、寄生片表面平整度及焊接、各零件加工精度以及介质板特性差异等影响，实测结果与仿真结果产生了一些差异。

图11 实测和仿真不圆度Fig.11 Simulated and measured gain variation of the antenna

(a) 垂直面

(b) 水平面图12 850 MHz实测和仿真方向图Fig.12 Simulated and measured pattern at 850 MHz

(a) 垂直面

(b) 水平面图13 1 500 MHz实测和仿真方向图Fig.13 Simulated and measured pattern at 1 500 MHz

(a) 垂直面

(b) 水平面图14 2 000 MHz实测和仿真方向图Fig.14 Simulated and measured pattern at 2 000 MHz

表1给出了近年来公开发表的文献中设计的全向天线和本文中提出的天线性能的对比。可以看出，本文所设计的全向天线在带宽方面得到了很大提升，同时在整个工作频段内不圆度小于2.5 dB。

表1 本文天线和其他全向天线的对比Tab.1 Comparison of proposed and other omnidirectional antennas

3 结论

本文采用两元印制板天线并馈组阵，同时增加寄生单元的方法实现了宽带全向天线的设计，寄生单元使天线的平面二维结构变为旋转对称的立体结构，大大改善了天线的不圆度性能，且获得了很宽的工作带宽，经过实测得到以下结果：在800～2 100 MHz频段(89.7%相对带宽)，不圆度小于2.5 dB；电压驻波比小于2.5；增益大于3.5 dB。该天线在频谱监测、信号模拟、常规通信、防爆等系统中有很好的应用前景。