一种双金属板加载的水平极化全向天线*

高国明，陈文俊，袁 洪，简 玲

(中国船舶重工集团公司第七二四研究所，南京 210003)

0 引言

水平极化全向天线的辐射方向图在水平面内是一个无方向性的圆，它广泛应用于通讯广播、雷达信标和敌我识别等领域。由于磁偶极子并不存在，所以水平极化全向天线需要靠方向图叠加形成全向辐射。

微带全向天线因其易加工、轻重量、低成本等特点而得到广泛研究，比较典型的方法有:(1）非水平共面组合天线，如圆柱共形微带天线［1］、方形微带贴片阵［2］;(2）水平共面组合天线，如Alford 环天线［3］、印刷偶极子方形阵［4］和印刷偶极子圆形阵［5］。第2 种类型天线的单元全部蚀刻在微带板上，具有制作精度高且重量轻的特点。

1 全向天线设计

本文设计的双金属板加载水平极化全向天线如图1，整个天线包括顶端金属反射板、全向微带天线、聚四氟乙烯介质柱和底端金属反射板。每根介质柱由两截组成，与微带天线接触的一端有一个介质法兰，全向微带天线夹在上下介质法兰之间并用螺钉固定。介质柱的另一端插入金属板安装孔中固定，上下金属板的厚度均为2 mm。

图1 全向天线结构示意图

微带天线部分如图2所示，由介质板、4个微带偶极子和馈电网络组成。4个微带偶极子均匀蚀刻在介质板圆周上，每个微带偶极子的两臂分别位于介质板的上下层，偶极子终端采用弧形结构。微带板直径为87 mm。微带偶极子通过宽带的平行双线馈电，保证了天线工作带宽。连接平行双线的两臂反相馈电以提高天线交叉极化性能［5］。

图2 微带部分结构示意图

为避免4个偶极子并联时总线和各支线的线宽差异过大，馈电网络采用两级一分二功分器组成:两根平行双线并联后变换至微带线，再将两根微带线并联与阻抗为50 Ω的同轴连接器相连。

天线的工作原理为:单个微带偶极子的E 面波瓣为“8”字形，通过在圆周上均匀环布4个偶极子使方向图叠加形成全向辐射。由于天线顶端和底端分别有金属板，调整顶端和底端金属板的尺寸可以改变波瓣仰角。

2 仿真结果

首先仿真上、下金属板直径均90 mm的水平极化全向天线，它的波瓣最大值位于水平面内。天线端口驻波仿真曲线如图3，可见在10%的相对频带内驻波小于1.5。图4为仿真的天线中心频点(2.85 GHz）方位面(E 面）波瓣图，天线增益高于2.3 dB、增益起伏小于1 dB，交叉极化电平低于－30 dB。图5为天线中心频点的俯仰面(H 面）波瓣图，可见波瓣最大值位于水平面内。

图3 全向天线端口驻波

图4 全向天线方位面方向图

保持上方金属板直径不变，将天线下方金属板直径增加到200 mm后，天线中心频点的俯仰面波束指向调整至60°。俯仰面波瓣图如图6。

图6 指向为60°的全向天线俯仰面方向图

3 测试结果

加工的水平极化全向天线上、下金属板直径均为90 mm。天线端口驻波测试图如图7所示，馈电电缆从天线下方金属板的通孔穿过。测得的天线端口驻波曲线如图8，可见在设计频带内端口驻波小于1.7。

图7 全向天线驻波测试图

图8 实测天线端口驻波

将天线竖直放在暗室远场测试转台上测得方位面(E 面）波瓣图如图9，低频波瓣起伏较大，约2.1 dB。在方向图测试中发现全向天线的支撑结构和周围吸波材料摆放位置改变时，对方位面波瓣图的起伏影响较大。测试俯仰面(H 面）波瓣时需要将天线倾倒，天线极化方向变为垂直极化。测得俯仰面波瓣图如图10，天线俯仰面波束对称性良好。

图9 实测天线方位面波瓣图

图10 实测天线俯仰面波瓣图

4 结束语

本文设计的双金属板加载水平极化全向天线具有以下优点:利用平行双线馈电展宽了天线单元带宽;两级功分网络减小了馈线的阻抗范围从而降低加工难度;双金属板加载提高了天线增益且容易调整俯仰面波束指向，同时提高了天线顶端和底端的抗干扰性能。实测的天线方位面波瓣起伏值在低频较大，这需要通过改进天线设计和改善测试环境来减小。本天线适合应用于广电通信、电子对抗等领域。

［1］Immanual Jayakumar，Ramesh Garg，Sarap B K，Bhagwan Lal.A conformal cylindrical micro-strip array for producing omnidirectional radiation pattern［J］.IEEE Trans.on Antennas and Propagation，1986，34(10）:1258-1261.

［2］李硕.水平极化全向(高增益）通讯天线的设计和研究［D］.成都:电子科技大学.电磁场与微波技术系07 级硕士论文.

［3］John D Kraus，Ronald J Marhefka.天线(第三版）［M］.北京:电子工业出版社，2000.

［4］钱嵩松，李兴国.一种由渐变缝隙天线构成的等效全向天线［J］.微波学报，2006，22(2）:41-44.

［5］冯祖建，张立新，孙绍国.水平极化全向天线的设计［J］.微波学报，2008，24(6）:60-64.