全向天線的組合設(shè)計(jì)

鄭慕昭 張 軍 張雪芹 閆興鋒

(西安電子工程研究所 西安 710100)

0 引言

在一些通信或者雷達(dá)領(lǐng)域會(huì)使用全向天線，全向天線有水平極化、垂直極化和圓極化。垂直極化近似電偶極子的輻射，水平極化近似磁偶極子的輻射。全向天線通常是指天線的方向圖在水平面內(nèi)是一個(gè)無方向性的圓，正是由于這個(gè)特點(diǎn)，全向天線要求方位全向沒有其他金屬或者其他強(qiáng)反射物體干擾，否則會(huì)嚴(yán)重影響天線方向圖。

本文設(shè)計(jì)和加工了一個(gè)L波段垂直極化全向天線和一個(gè)S波段水平極化全向天線，要求兩個(gè)天線可以同時(shí)工作，互不影響，同時(shí)考慮安裝平臺(tái)的限制兩個(gè)天線只能上下排布。因?yàn)閮蓚€(gè)天線都是方位全向輻射，如何設(shè)計(jì)可以使得排布在上面的天線甩下來的電纜不影響排布在下面天線的方向圖，是設(shè)計(jì)時(shí)重點(diǎn)要考慮的問題。

1 天線理論設(shè)計(jì)

垂直極化全向天線主要形式有單極子或偶極子天線及其變形形式、同軸CTS天線、串饋式交叉共軸天線(COCO天線)、微帶交叉陣子天線[1]、雙錐或單錐天線[2]等。單級(jí)子或偶極子增益太低，而單級(jí)子或偶極子組成陣列需要功分網(wǎng)絡(luò)，結(jié)構(gòu)很復(fù)雜，而且功分網(wǎng)絡(luò)可能會(huì)影響輻射性能，同軸CTS天線、串饋式交叉共軸天線(COCO天線)和微帶交叉陣子天線則由于帶寬不夠或者尺寸太大不能滿足要求，而單錐天線俯仰面波束會(huì)上傾，最終選擇雙錐天線的形式。

水平極化全向天線輻射類似磁偶極子，由于磁偶極子并不存在，其實(shí)現(xiàn)形式一般為Alford環(huán)[3]、偶極子圓形陣或方形陣[4-6]，微帶陣[7-8]等，但是這些天線形式都很難解決上面雙錐天線甩下來的電纜對(duì)方向圖的影響，這樣方位不圓度無法保證，為此選用波導(dǎo)縫隙天線形式并做了改進(jìn)設(shè)計(jì)。

2 天線設(shè)計(jì)和仿真

雙錐天線采用同軸饋電，同軸外導(dǎo)體和雙錐天線下面部分相連，內(nèi)導(dǎo)體和雙錐天線上面部分相連。但是這樣的L波段雙錐天線直徑通常較大，為了縮小天線直徑同時(shí)改善天線的駐波特性，在雙錐天線的上下錐部分加金屬圓柱環(huán)。建立仿真模型如圖1所示。

圖1 雙錐天線模型

仿真結(jié)果如圖2至圖7所示，天線駐波小于1.2，不圓度小于0.5dB，增益大于2dB，俯仰面波束寬度大于60°。

圖2 雙錐天線三維方向圖

圖3 雙錐天線低頻方位面仿真方向圖

圖4 雙錐天線高頻方位面仿真方向圖

圖5 雙錐天線低頻俯仰面仿真方向圖

圖6 雙錐天線高頻俯仰面仿真方向圖

圖7 天線仿真駐波曲線

水平極化全向天線選用波導(dǎo)縫隙天線形式并做了改進(jìn)設(shè)計(jì)，如圖8所示，波導(dǎo)右側(cè)腔體既可以屏蔽電纜，也可以使得波導(dǎo)縫隙天線方位面的方向圖更加對(duì)稱。

圖8 組合天線仿真模型

仿真結(jié)果如圖9至圖15所示，可以看到工作頻帶內(nèi)天線駐波小于1.3，不圓度小于3dB，增益大于2.5dB，俯仰面波束寬度在60°左右。

圖9 波導(dǎo)縫隙天線低頻方位面仿真方向圖

圖10 波導(dǎo)縫隙天線中頻方位面仿真方向圖

圖11 波導(dǎo)縫隙天線高頻方位面仿真方向圖

圖12 波導(dǎo)縫隙天線低頻俯仰面仿真方向圖

圖13 波導(dǎo)縫隙天線中頻俯仰面仿真方向圖

圖14 波導(dǎo)縫隙天線高頻俯仰面仿真方向圖

圖15 波導(dǎo)縫隙天線仿真駐波曲線

3 實(shí)測結(jié)果與分析

加工出來的天線如圖16所示，天線直徑僅為70mm，長度380mm。對(duì)天線實(shí)物進(jìn)行測試，方向圖測試是在遠(yuǎn)場條件下進(jìn)行的，結(jié)果如圖17至圖28所示。

圖16 天線實(shí)物照片

圖17 雙錐天線低頻方位面實(shí)測方向圖

圖18 雙錐天線高頻方位面實(shí)測方向圖

圖19 雙錐天線低頻俯仰面實(shí)測方向圖

圖20 雙錐天線高頻俯仰面實(shí)測方向圖

圖21 雙錐天線實(shí)測駐波曲線

圖22 波導(dǎo)縫隙天線方位面低頻實(shí)測方向圖

圖23 波導(dǎo)縫隙天線方位面中頻實(shí)測方向圖

圖24 波導(dǎo)縫隙天線方位面高頻實(shí)測方向圖

圖25 波導(dǎo)縫隙天線俯仰面低頻實(shí)測方向圖

圖26 波導(dǎo)縫隙天線俯仰面中頻實(shí)測方向圖

圖27 波導(dǎo)縫隙天線俯仰面高頻實(shí)測方向圖

圖28 波導(dǎo)縫隙天線實(shí)測駐波曲線

由實(shí)測結(jié)果可以看到，雙錐天線駐波小于1.4，不圓度小于1.3dB，增益大于2dB，波導(dǎo)縫隙天線駐波小于1.6，不圓度小于3dB，增益大于2dB。天線實(shí)測性能與仿真結(jié)果相差不大，差異主要是由于寬波束天線在遠(yuǎn)場受環(huán)境影響較大以及天線加工裝配過程中的誤差造成的。

4 結(jié)束語

本文通過組合設(shè)計(jì)使得一個(gè)L波段垂直極化全向天線和一個(gè)S波段水平極化全向天線上下排布在直徑為70mm的圓柱形天線罩內(nèi)，工作互不影響。實(shí)測L波段和S波段天線增益均大于2dB，駐波均小于1.6，不圓度分別為1.3dB和3dB。