基于零阶谐振器的低剖面宽带锥状波束微带天线研究

2024-04-28曾砾堂柴建宁张君鹏杨登泰

电视技术 2024年3期

曾砾堂，石磊，柴建宁，张君鹏，杨登泰，彭麟

（1.中国人民解放军93119部队，甘肃酒泉 735000；2.桂林电子科技大学，广西桂林 541004）

0 引言

锥状波束天线与一般定向天线（如笔状波束天线）的方向图最大不同在于其波束在孔径的法线方向上为零点，因此其最大辐射方向与法线成一定倾角，并且波束具有圆周对称性。锥状波束天线的辐射特性使其获得广泛的应用，如弹载数据链、近炸引信、地面卫星通信终端、移动通信以及无线局域网通信等系统。

为实现锥状波束，众专家学者提出很多的设计方法。文献[1]采用背部馈电的微带形式和金属过孔实现锥状波束，并应用混合拓扑优化算法实现最优化，天线带宽约7.8%，最大增益为7.8 dBi。文献[2]通过在中心馈电的正方形贴片天线的对角线上对称引入4个金属化通孔实现锥状波束，该天线的带宽达到17.8%，最大增益为6.6 dBi。文献[3]为使容性加载的单极子设计实现锥状波束，使用较大的地板反射面，天线带宽约为9.9%，最大增益约7.49 dBi。文献[4]使用中心馈电的贴片天线和8个被缝隙围绕的短路销钉实现锥状波束，天线带宽约为19.4%，且该天线适用于有极大地板的环境。文献[5]结合渐变型单圆锥、弯折短路金属柱、锥型金属腔和同轴馈电结构等实现锥状波束，虽然天线的阻抗带宽达到118.5%，但是其结构复杂，加工难度较大。文献[6]通过在方形空气腔上加工4个L形缝隙实现锥状波束，天线带宽约2.17%，最大增益为3.21 dBi。文献[7]将倒F天线组成阵列实现锥状波束，天线带宽约11.2%，最大增益达到12.7 dBi。文献[8]将多个微带准八木天线组成阵列，并将该阵列与弹体曲面共形，从而获得锥状波束，天线的带宽约为12.2%，最大增益为2.8 dBi。文献[9]利用传输阵列来调节喇叭天线的口面相位，从而在12.5 GHz的设计频率下实现锥状波束，天线的增益为9 dBi。

基于以上研究，文章提出新型中心馈电圆形贴片锥状波束天线，通过加载零阶谐振器达到展宽带宽的目的。该天线制作在厚度为0.508 mm、相对介电常数为2.2的Rogers 5880基板上。介质基板的正面是一个中心馈电的圆形贴片，背面是金属地板，通过4个金属过孔将圆形贴片与金属地板相连，以减小天线的面积。为避免天线带宽因天线面积减小而降低，将4个零阶谐振器加载到圆形贴片上。由于4个零阶谐振器嵌入圆形贴片内部，天线的尺寸并没有增加，但是天线的带宽由4.86%增加到12.8%。该天线具有良好的锥状波束特性，而且在频段内的辐射特性十分稳定。

1 天线结构设计及演变

文章所设计的锥状波束天线具有结构简单、尺寸小、带宽大等优点。为突出该天线的优点，图1展示了天线的结构及演变。其中，天线1为典型中心馈电圆形贴片锥状波束天线，天线2为基于短路销钉的中心馈电圆形贴片锥状波束天线，天线3为所提出的零阶谐振器加载的锥状波束天线。这3个天线均制作在相对介电常数为2.2、厚度为0.508 mm的介质基板上，而且皆工作在K波段。图1中，天线1的辐射贴片为圆形，贴片直径达到11.8 mm；天线2在天线1的基础上加载4个短路销钉，从而将贴片直径减小到5.5 mm；天线3在天线2的基础上加载4个零阶谐振器，由于零阶谐振器被加载到圆形贴片的内部，天线的尺寸变化不大，直径为5.9 mm。但是，零阶谐振器会引入1个新的谐振，从而展宽天线的带宽。

图1 天线结构及演变示意图

2 天线结果与分析

天线1、天线2和天线3的阻抗匹配曲线如图2所示。由图2可知，采用中心馈电圆形贴片的天线1谐振为22.8 GHz，其-10 dB阻抗带宽为1 100 MHz。虽然与天线1相比，天线2的直径从11.8 mm减小到5.5 mm，但是其谐振频率并没有升高，反而降低到了22.1 GHz。天线2的-10 dB阻抗带宽为1 300 MHz，可见采用4个短路销钉加载的天线2不但比天线1尺寸大大减小，其阻抗带宽也有所增加。加载到天线3的零阶谐振器使天线增加1个新的谐振，其带宽也大大增加。天线3的两个谐振频点分别为21.5 GHz和23.4 GHz，其-10 dB阻抗带宽为2 900 MHz。相比天线2，在天线直径几乎不变的条件下，零阶谐振器的加载大大展宽了天线的带宽。3个天线的主要阻抗特性如表1所示。

表1 天线的主要阻抗匹配特性

图2 天线1～3的阻抗匹配曲线

从表1可知，通过使用短路销钉，天线2的尺寸远小于天线1，而且阻抗带宽也由天线1的4.86%提高到5.87%。对于天线3，通过增加零阶谐振器，其相比天线1和天线2增加了1个谐振点，形成双谐振，从而将天线的带宽增加到12.8%。可见，相比于天线1和天线2，天线3在尺寸和带宽上都有很大的优势。

图3为天线3在两个谐振频点的辐射方向图。由图3可知，天线3具有良好的锥状波束特性，其在21.5 GHz和23.4 GHz的E面方向图形状十分相似，最大辐射方向都指向36°，最大增益约为5 dBi，在21.5 GHz和23.4 GHz的H面方向图的圆度特性良好。可见，它不仅具有良好的锥状波束特性，而且在频段内方向图稳定性良好。