L波段高增益全向天線的設計

馮文文，高 初，左 斌，秦 浩

(中國電子科技集團公司第三十八研究所，合肥 230088)

0 引 言

全向天線廣泛應用于雷達和通信系統，其波束可實現水平方向360°的均勻輻射。常見的全向天線大多為微帶形式[1-3]。微帶全向天線制作簡單，重量輕，成本低，易于大批量生產，但該形式的天線承受功率小，效率低。如果該類天線實現全向高增益方向圖，則須增加微帶板的長度，進而影響天線的力學特性。盤錐結構[4]全向天線常在寬頻段工作，該類天線水平面方向圖圓度指標較好，但在垂直面不易形成系統需要的賦形方向圖。同軸套筒天線[5]是另一種常用的全向天線結構，采用同軸線饋電，利用軸向排列多個套筒結構，可以在垂直方向上形成一定的電流分布，從而在水平方向產生較大的天線增益，同時實現垂直方向的波束賦形。

本文在多套筒結構全向天線的基礎上，充分考慮天線的工藝可實現性，通過建立精準三維模型進行仿真和參數優化，設計得到符合系統指標的全向天線。

1 天線設計

1.1 天線結構形式

本文介紹的多套筒天線結構形式如圖1所示。該天線由同軸套筒、饋電同軸線、介質支撐、反射板和天線罩等部分組成。由于系統需要不小于5 dB的增益，該天線用4級同軸套筒作為輻射體，類似2個共軸排列的半波對稱振子天線。同軸套筒內部由饋電同軸線進行饋電，饋電同軸線的內導體外徑為r1，外導體內徑為r2。套筒的外徑D2，每級套筒之間通過聚四氟乙烯材料支撐。聚四氟乙烯支撐件通過專門設計，正好卡在饋電同軸線和套筒之間，能保證各級套筒共軸，避免套筒發生橫向尺寸偏移。饋電同軸線輸入端口采用N-K型連接器，末端為短路枝節進行阻抗匹配。

圖1 全向天線結構示意圖

1.2 天線罩形式

該全向天線在室外環境使用，天線罩用于防護風沙和雨水侵襲。根據天線的工作頻率和加工成本，選用結構簡單的薄壁天線罩。薄壁天線罩壁厚d的取值要盡量小地影響天線的電性能指標，厚度d通常由下式給出：

(1)

式中，λ為天線的工作波長；ε為天線罩的相對介電常數。

天線罩材料選用環氧預浸料，該材料是纖維和樹脂組成的復合材料，具有較好的透波性能和機械強度。天線罩的壁厚為1.5 mm，直徑80 mm，天線罩頂部采用錐臺狀。為保證防水效果，天線與天線罩之間采用聚氨酯密封膠密封。

1.3 天線結構參數優化結果

可以通過先簡單后復雜的方法獲得天線的電磁特性，即不考慮介質支撐和天線罩的影響，優化得到一組較好的結果；然后逐步加入各種介質材料，通過多次迭代和優化計算，最終得到準確天線模型下天線的電性能指標，圖2為天線仿真模型及波束示意。為方便加工，天線優化后的各參數取整處理，其中L為天線安裝天線罩后的總長度，具體數據見表1。

1.4 功率容量分析

天線的功率容量受多種因素影響，在設計時可以先通過場仿真給出理論計算結果，然后用實物進行大功率試驗驗證。在天線模型中，由圖3可以看出電場的最大場強位于饋電同軸線內導體附近區域，因此饋電同軸線的功率容量決定了天線的功率容量。

圖2 全向天線仿真模型及波束示意圖

表1 優化后的參數(單位：mm)

圖3 天線內部場分布示意圖

功率容量為

(2)

式中，r1為同軸線外導體的內半徑；r2為同軸線內導體的外半徑；Ebr為介質的擊穿場強，空氣介質的擊穿場強Ebr=3×106V/m；η0=377 Ω為自由空間的波阻抗。

由式(2)得到饋電同軸線所能承受的最大功率為185.4 kW。實際上，天線的功率容量受很多因素影響，如加工裝配誤差、金屬表面的粗糙度、天線駐波比、大氣壓強和空氣濕度等。天線實際功率容量須在仿真計算的基礎上留10 dB的余量，因此本天線所能承受的最大功率約為18 kW。

2 天線仿真與測試

根據天線仿真參數加工天線實物，如圖4所示。天線的駐波比曲線和方向圖參數分別由矢量網絡分析儀、球面近場測量系統測試得到，如圖5～圖7所示?？梢钥闯觯炀€實測結果與仿真結果基本一致，具體指標對比見表2，滿足系統要求。

圖4 天線實物架設圖

圖5 天線駐波比曲線

圖6 天線水平面方向圖曲線

圖7 天線垂直面方向圖曲線

表2 全向天線指標要求

3 結束語

本文設計的全向天線具有高增益、大功率等特點，在設計時充分考慮天線的邊界條件，尤其是介質支撐和天線罩對天線電性能的影響。為方便加工，天線優化后的尺寸盡量取整數，制作好的天線無須調試，即可滿足指標要求，有利于批量生產。目前該天線已應用于某電子系統中，可為類似天線研制提供參考和借鑒。