一種低剖面寬帶全向天線的設計

王 亮

(中華通信系統有限責任公司河北分公司，河北 石家莊 050081)

一種低剖面寬帶全向天線的設計

王 亮

(中華通信系統有限責任公司河北分公司，河北 石家莊 050081)

在現代通信中，為了實現在相同空間內裝備更多的通信設備，需要讓不同的通信設備共用同一天線，為了解決實際使用需求和耦合等干擾問題，設計了一款采用特殊的加載方法來實現低剖面寬頻段的全向天線。對該天線的輻射原理、電磁特性及敏感參數等問題進行了討論和仿真分析，并制作出了樣機天線。對樣機天線進行了實際測試，測試結果證實該天線具有低剖面、寬頻帶和全向輻射特性，與分析結果相一致，因此該天線能夠解決在有限空間內裝備更多的通信設備的實際使用需求。

低剖面；寬帶；全向天線

0 引言

隨著無線通信系統技術的快速發展，對天線性能的要求也不斷提高，常規天線已不能完全滿足現代通信要求。在現代通信中需要在相同空間內裝備更多的通信設備，那么需要相應增加天線的數量，這樣就使得各個天線間的耦合直接影響到天線的電氣指標，從而最終影響通信質量。行之有效的方法是增加天線的工作帶寬，讓不同的通信設備共用同一天線，從而減少天線的實際安裝數量。如果再能夠縮小天線的外形尺寸，并解決耦合等干擾問題，那么就完全能夠滿足現代通信要求。

目前發展低剖面、寬頻帶和小型化天線技術，有著廣泛的應用前景和重大的現實意義。由于低剖面、寬頻帶和小型化天線是在常規的天線基礎上發展起來的，與常規天線在原理上并沒有本質區別，故有多種方法來實現。

1 低剖面寬帶全向天線特性分析

1.1 低剖面寬帶全向天線結構

在天線設計上從實現天線低剖面入手，引出了一種全向天線，它主要是由金屬板和金屬寄生桿相互作用而得到的低剖面、寬頻帶和小型化天線[1-2]。此種天線結構如圖1所示，由線天線的理論進行剖析，該種天線可以看成單極錐天線加載上匹配結構，并采用 50 Ω同軸射頻接插件進行饋電，饋線的外導體接接地板，饋線的內導體接圓錐。單極錐天線本身就能提供很好的電壓駐波比，再加上其匹配結構，可以將天線尺寸壓得更低，頻率帶寬更寬。

單極錐天線[3-4]是單極天線的一種，同單極天線饋電方式類似，其接地板與饋電同軸電纜的外導體相連接，內導體與錐體連接。通常情況下，錐天線的角度愈大，天線的電壓駐波比會愈低。但是由同軸線纜進行饋電的單錐體天線，其同軸的線纜內芯和錐體下底板間焊接地方的不持續特性會使得電磁波有大的響應，并且圓錐角度愈大，它的不連續性能就會愈強，相應的它的反射強度也就愈大,故設計天線之初就是要找尋合適的圓錐角度天線。經過仿真研究后，圓錐角度為45°時，對應相應的頻率范圍內錐天線匹配性能[5]和寬頻帶性能[6]會更好。

圖1 低剖面寬帶全向天線示意圖

1.2 金屬板和接地板對天線性能的影響

為滿足其低剖面、寬頻帶、小型化天線的特性[7]，先對金屬板和接地板進行仿真求證，以便于先排除金屬板和接地板對天線性能的影響。下面對金屬板和接地板分別進行敘述：

① 根據實際應用情況，分別選用 400 mm×400 mm、500 mm×500 mm和600 mm×600 mm 正方形接地板作比較。經過反正運算后，發現接地板的尺寸的變化主要影響天線工作頻率的低頻段。只有當采用500 mm×500 mm的接地板時，天線工作帶寬最好；

② 在圓錐天線上加載金屬板的主要目的是改變錐體表面的電流路徑，降低天線的終端反射損耗，從而達到拓展天線帶寬的目的，然而不同尺寸的金屬板對天線高低端頻率和帶寬的影響卻是比較大的。

經過仿真優化后明顯發現，天線的駐波比伴隨著圓盤直徑的增加，天線駐波比低頻端向低的一端平移，高頻端向高的一端平移，帶寬展寬了。但當圓盤的直徑增加到一定尺寸后，駐波比在低頻端較低，在高頻端較高，卻在中心頻率附近出現諧振，發生了電壓駐波比大于2的情形。若圓盤直徑減少到某個尺寸時，該天線的駐波帶寬還是相對比較寬的，但低頻端和高頻端的整體駐波比大于2。因此直徑(D)為140 mm時天線的駐波曲線最佳[8]。

在樣機調試階段，若在不改變金屬盤直徑的情況下，將金屬盤形狀改為梅花狀，其性能更佳，且符合寬帶駐波比要求。

1.3 介質片和寄生桿對天線性能的影響

在對天線整體性能仿真之前，分別對天線的介質片和寄生桿進行仿真，可以發現介質片和寄生桿的改變對天線的駐波比有極大的影響，下面分別進行敘述：

① 在錐的尾部與金屬接地板間加上一層非金屬介質片[9-10]，主要作用是讓介質片在饋電點處的電容抵消輸入阻抗。基于實際情況，均采用了聚四氟乙烯做為介質基片[11]。在介電常數一定的情況下，改變其厚度(h)，通過仿真優化后對天線的帶寬進行觀察，發現基片厚度的增加也同樣能夠改善天線工作頻率。但是當其厚度持續增加時，天線在中頻段內的匹配阻抗超差。只有當聚四氟乙烯基片的厚度為2 mm時，才可以獲取較合理的電容特性抵消饋電處的電抗性，并有效地拓展天線的帶寬。

② 經過仿真優化后發現，寄生桿越長，天線的駐波曲線[12]從頻率較高部分向頻率較低部分變化，天線的工作帶寬也越小，當金屬的寄生桿長度較低時，雖然這個天線帶寬已經增大了，但是中心頻率上出現一個很強的諧振波，仿真數據如圖2所示。

圖2 天線駐波隨寄生桿高度(H)的化變

仿真后發現，寄生桿間距離選擇的不合理不僅使天線的高端頻率向低頻處移動，而且會使高頻處產生強大的諧振，帶寬性能變得相當得惡劣。當寄生桿間距離為λ/4(λ為波長)左右的時候，天線的帶寬性能尚佳，匹配性能良好，低端頻率較低，高端頻率較高，相對帶寬也比較寬，仿真數據如圖3所示。

圖3 天線駐波隨寄生桿距離(L)的變化

1.4 低剖面寬帶全向天線建模和仿真

在明確了天線的設計要求，且經過對天線匹配結構的各個部件進行仿真優化求證后，本文研制出天線的仿真模型如圖1所示，并對天線各個部件的尺寸及形狀進行細微調整,使其駐波在工作頻帶內盡可能低，且外形尺寸盡量小。仿真方向圖以及駐波曲線如圖4所示。

圖4 低剖面寬帶全向天線增益方向圖

1.5 樣機設計

加工出天線的樣機并對樣機進行調試，樣機外形圖如圖5所示，樣機實測方向圖如圖6所示。

經過對天線的實物樣機測試后發現[13]，設計出的低剖面寬帶全向天線高度僅為λ/8 (λ為最低工作頻率時的波長)，相對帶寬為96%，倍頻帶寬為2.84∶1。經過上機驗證[14]，將在天線實際安裝到設備上，并加裝特制的非金屬天線罩進行測試，發現設備的金屬表面以及天線罩對該天線并無太大影響，且該低剖面寬帶全向天線在實際應用中會有很高的使用價值。

圖5 低剖面寬帶全向天線樣機

圖6 天線實測方向圖及駐波圖

2 結束語

該寬帶全向天線具有低剖面、寬頻帶、全向輻射特性[15]，對各個通信領域都具有很大的優點,可實現寬角度范圍掃描和全方位覆蓋，同時還不破壞設備表面的機械結構和強度。該天線在工程應用上需要空間小,增加了可用口徑等其他優點，具有很好工程應用前景。

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Design of a Low Profile Wideband Omnidirectional Antenna

WANG Liang

(China Communications System Co.,Ltd Hebei Branch Company,Shijiazhuang Hebei 050081,China)

In modern communication,several communication devices need to share one antenna for integrating more communication devices in limited space.A low-profile wideband omnidirectional antenna is designed with special loading method for solving practical requirement and coupling disturbance.The radiation principle,EM characteristics,and sensitive parameters of this low-profile wideband omnidirectional antenna are simulated and analyzed.The antenna prototype is also manufactured.Practical test was processed on antenna prototype.And test result verified that the antenna has low-profile,wideband omnidirectional characteristics,which consists with analysis result.The antenna can meet the requirement that integrating more communication devices in limited space.

low-profile;wideband;omnidirectional antenna

10.3969/j.issn.1003-3114.2017.02.17

王 亮.一種低剖面寬帶全向天線的設計[J].無線電通信技術,2017,43(2):67-70.

2016-12-22

國家自然科學基金項目(11261140641)

王 亮(1982—)，男，碩士，工程師，主要研究方向：微波天線研制。

TN82

A

1003-3114(2017)02-67-4