超短波寬帶高增益穩定度全向陣列天線設計

張 歡，潘昱旭，郭慶功

(四川大學 電子信息學院，四川 成都 610065)

0 引言

超短波頻段天線具有遠視距通信特性，在各個領域的遠距離通信中得到廣泛的應用，尤其是海陸空點對點的遠距離通信系統中。微帶天線具有低剖面、易加工、成本低、能與有源器件集成等優點，隨著無人機、特殊飛行器等無線通信系統應用需求的增長，要求微帶天線獲得更寬的帶寬和更穩定的增益。研究者們提出阻抗加載[1-4]、新型并聯饋電網絡[5]、寄生技術[6]、U型槽[7]等一系列方法來拓展微帶天線帶寬。其中，文獻[1]設計了一種共面波導饋電印刷全向偶極子陣列天線，通過添加阻抗調諧器(饋電處添加金屬條)獲得16.3%的阻抗帶寬；文獻[3]提出了一種安裝在無人機上的寬帶全向垂直極化天線；通過在添加短路引腳將阻抗帶寬拓展為24.7%；文獻[7]設計了一種寬帶雙波束微帶天線，用U型槽技術實現了天線帶寬的展寬，獲得11.8%的阻抗帶寬。然而，拓展的帶寬仍然無法滿足天線在某些頻段的應用，并且在頻段內全向特性相對較差，增益穩定性較低。為解決增益穩定性問題，研究者們提出開槽技術[8-10]來獲得頻帶內平坦增益，文獻[8]提出了一個基于基片集成波導技術的雙開槽介質基片穩定增益印刷對數周期偶極子天線，通過引入開槽介質基板，使天線的阻抗帶寬不明顯地偏移，有效地提高了天線的低頻增益，實現在33%的阻抗帶寬內天線的增益穩定度為±0.75 dB。上述設計雖獲得較為平坦的增益，但天線尺寸普遍偏大，無法滿足許多實際工程需求。

為進一步拓展微帶天線帶寬并獲得良好的增益穩定度，本文通過采用雙面互補結構、添加非對稱枝節、平行雙線并聯饋電等技術，設計實現了一款寬頻帶高增益穩定度微帶陣列天線。

1 理論分析

印制偶極子天線主要有兩種結構形式：① 偶極子的兩個振子臂均印制在介質基板的同一面，然后用類平行耦合線分別與兩個振子臂相連接。這種偶極子的方向圖與普通對稱振子相同，只是交叉極化比較嚴重，并且類平行耦合線與饋電同軸線之間要用巴倫來實現從非平衡結構到平衡結構的轉換。② 偶極子的兩個振子臂分別印制在介質基板的上下兩面，然后用平行耦合線與兩振子臂將介質基板上下兩層相連。這種設計的交叉極化較低，而且饋電結構更為簡單。

雙偶極子型振子帶寬展寬的原理可以看做是將振子臂加粗，從而使帶寬變寬。也可將上下兩層的振子臂看做是寄生結構，兩層的振子臂互相耦合，從而展寬了帶寬。偶極子的主要參數是振子臂的長度和寬度，而對其他的尺寸(例如振子臂之間的距離)沒有嚴格要求。一般情況下，振子臂的寬度越寬，天線的帶寬越寬。輻射單元振子臂總長近似為工作頻率對應的自由空間波長的一半，實際設計中由于介質的影響，振子臂長略小于自由空間波長的一半。

采用平行雙線對印刷偶極子單元進行饋電，其特性阻抗可以由寬度相等、介質厚度減半的微帶線的特性阻抗來等效求得。平行耦合線的電磁場如圖1所示。上下兩層金屬帶線上的電流相差180°,方向相反；饋線工作在奇模狀態，中間的對稱平面看做電壁。設微帶線與地板之間的電壓值為U，電流為I，則微帶線的特性阻抗定義為Zc=U/I。對平行耦合線，上下兩帶條之間的電壓為2U，電流仍為I，于是推出平行耦合線的特性阻抗Z0=2U/I=2Zc。

圖1 微帶線與平行雙線電場Fig.1 Electric fields of microstrip lines and parallel lines

2 天線設計與仿真

2.1 天線單元設計

天線單元如圖2所示，因基板厚度增大時，Q值降低，頻帶變寬，并且天線結構不易發生形變，但也會增加天線的剖面高度和重量，故采用介電常數為2.65，厚度為2 mm的介質基板。偶極子輻射單元對稱分布于上下兩面，通過金屬化過孔相連。通過在正反面加載支節匹配技術，展寬帶寬。

圖2 天線單元Fig.2 Antenna element

2.2 天線陣設計

為了進一步擴展天線的帶寬，提高天線的增益，在單元設計好的基礎上進行組陣。天線結構如圖3(a)所示，采用功分網絡和相同的微帶結構從微帶中心處進行并聯饋電，組成天線二元直線陣，輻射單元間距略小于天線工作中心頻點對應的介質波長。

圖3 天線結構圖Fig.3 Antenna structure

由圖4可知，通過加載對稱枝節并沒有獲得良好的駐波帶寬和增益。

為滿足設計要求，在上述天線基礎上進行變換。如圖3(b)所示。通過在微帶線上加載寬度為0.8 mm的非對稱支節對天線的阻抗進行匹配，加載位置分別在距離饋電點s1=50 mm，s2=80 mm處。通過非對稱枝節可以改變輻射陣子上的電流分布，展寬工作帶寬，獲得頻帶內較高的增益穩定度。該天線采用對稱結構，降低天線方向圖不圓度，改善天線性能。

通過HFSS軟件分別對加載非對稱枝節、加載對稱枝節和無枝節加載3款天線進行仿真，天線的仿真駐波比與增益對比如圖4所示。可以看出，加載非對稱枝節的印制偶極子天線駐波比在298～416 MHz頻段內小于2，相對帶寬為33%；而加載對稱枝節和無枝節加載的天線駐波比在2以下的相對帶寬分別為10.3%和11.6%。可見非對稱枝節能很好地改善天線的駐波帶寬。對比于頻帶內加載對稱枝節和無枝節加載的印刷偶極子天線增益變化，加載非對稱枝節的天線能明顯提高高頻增益，在頻帶內具有更高的增益穩定度。天線的整體寬度較小，枝節與輻射臂之間距離過小，加載的枝節越長對天線的振子臂輻射影響越大。加載非對稱枝節通過減短一對枝節不僅可以減少其對輻射臂的影響，而且能拉開枝節間的距離，從而可以減小枝節間的影響。通過調節枝節的位置和長度可以改變輻射陣子上的電流分布，展寬工作帶寬，獲得頻帶內較高的增益穩定度。

圖4 天線駐波比、增益仿真對比圖Fig.4 Simulated VSWR,Gain of antennas

3 陣列仿真與實驗測試分析

根據天線陣列仿真制作了1×2全向印刷天線樣機，天線實物如圖5所示。在實物基礎上分別就阻抗匹配和輻射特性進行實驗驗證。天線駐波、增益仿真與測試結果如圖6所示，天線在0.30,0.35,0.40 GHz仿真和測試的歸一化方向圖如圖7和圖8所示。

圖5 天線實物圖Fig.5 Photo of antenna

圖6 天線駐波比、增益仿真與測試結果圖Fig.6 Simulated and measured VSWR，Gain of antenna

圖7 天線在0.30,0.35,0.40 GHz測試方向圖Fig.7 Simulated radiation pattern at 0.30,0.35,0.40 GHz

圖8 天線在0.30,0.35,0.40 GHz測試方向圖Fig.8 Measured radiation pattern at 0.30,0.35,0.40 GHz

從上圖可以看出，天線測試VSWR在298～440 MHz頻帶內小于2，駐波帶寬達到38%。在300～400 MHz頻帶內，天線仿真增益穩定度為±0.5 dB，測試結果為±0.45 dB。在該頻帶內仿真結果不圓度小于0.2 dB，測試結果小于±1.5 dB，相對于仿真結果較差，分析原因可能是因為天線測試過程中，無法保證天線饋電中心線與標準天線饋電中心線在一條直線上。天線測試結果與仿真結果吻合較好。

4 結束語

采用對稱結構和加載非對稱枝節技術，實現了一款超短波寬帶高增益穩定度全向印刷陣列天線，在有效拓展帶寬的基礎上實現了工作頻帶內的高增益穩定度。天線的阻抗帶寬達38%，工作頻帶內的增益穩定度為±0.45 dB,更適用于無人機等對天線有低剖面、輕重量嚴苛要求的應用場景。