一种新颖的宽带高增益车载全向天线

吴荣远，黄武装

(中国电子科技集团公司第七研究所，广州 510310)

0 引 言

随着射频、数字技术的飞速发展，电台工作带宽越来越宽。国外某电台工作频率先后从225 ～400 MHz、225 ～450 MHz 扩展为225 ～512 MHz，国内有建议扩宽为225 ～800 MHz。

随着电台工作频率升高、工作带宽增大，对天线的要求也越来越高。工作频率越高，空间传输损耗越大，常规的单元宽带天线增益低已不能满足系统使用的要求，须用提高高频端天线增益的方法来弥补高频端空间传输损耗增加的不足。

多元直线组阵宽带天线都是并联馈电，采用在两天线单元间加0.25λ0同轴扼流套的方法，抑制相临的下天线单元顶部的辐射电流向上流动、上天线单元底部的辐射电流向下流动，并直接参加辐射来满足天线频带宽度要求的。一般套筒天线仅能达到2 倍频带宽。

用Γ 匹配双锥柱形天线作天线组阵单元。采用在两双锥柱形天线单元之间加同轴电缆扼流圈替代传统的0.25λ0扼流杯，在天线底部加同轴电缆扼流圈的方法，完成了一种具有4 个倍频程的超宽带并联馈电、两元直线阵的小直径垂直极化全向天线。

该天线可以作车载天线、升高架设天线、定向天线的辐射源天线使用。

用FEKO 软件对本文所设计的两对双锥柱形天线结构形式、天线阵组阵间距、同轴电缆扼流圈参数进行了优化、仿真计算，证明该结构天线阵不仅增益高，且有效地克服了一般宽带天线高频端辐射图主波瓣容易偏离水平面的不足。这种宽带垂直极化全向天线，具有天线体直径小、超宽频带和高频端增益高的优点。实测获得了良好的辐射方向图和电压驻波比(VSWR)，实测的辐射方向图与仿真值基本一致。

1 两元宽带双锥柱形天线组阵设计

所介绍的这种两元组阵高增益宽带小型化天线，用双锥柱形宽带天线作组阵单元，采用并联馈电方式馈电。用上天线单元馈电的同轴电缆，在上、下两天线单元间绕制一个同轴电缆扼流圈。用该扼流圈抑制下天线上辐射体扼流杯和上天线下辐射体扼流杯，没有抑制干净的辐射电流沿馈电电缆直接参加辐射和在天线底部加同轴电缆扼流圈的方法来保证天线最大辐射始终保持在水平面上。采用Γ 匹配、电容耦合馈电方式给两个双锥柱形天线馈电来满足天线阵的阻抗匹配要求。

1.1 双锥柱形天线宽带特性

双锥对称振子天线，由于两臂对应点间的距离与直径之比是渐变的，因而其沿线各点的特性阻抗也是渐变的。如果振子天线的直径与其相应的两臂间的距离保持为一个常数，则可认为沿线各点的特性阻抗不变。当天线体为无限长时，天线的输入阻抗就等于振子的特性阻抗，天线辐射特性就与工作频率无关了［1］。这时双锥天线辐射方向图、特性阻抗取决于锥的半张角宽度θ0，天线特性阻抗为［2，3］

归一化方向函数为

虽然无限长双锥天线不存在，但双锥天线的确是一种理想的超宽带天线结构形式，其辐射方向图带宽可以达到5 ∶1。

双锥天线不足之处是特性阻抗较小时天线锥端口尺寸较大。但采取多元并联组阵时，需组阵天线单元具有高特性阻抗。选作为车载天线可以接受的天线辐射体直径为45 mm，两元组阵单元天线特性阻抗为250 Ω 设计了一种顶端为锥体，末端为柱体的双锥柱形天线结构，如图1 所示。对图1 双锥柱形天线进行仿真计算，结果与顶角为28°、长度为400 mm、锥末端直径为100 mm 的双锥天线的增益和匹配性能相比略差，但基本能满足带宽要求，且天线直径缩小了一半，对天线小形化是非常有利的。

图1 双锥柱形天线

1.2 双锥柱形天线馈电方式

本文介绍的两元并联馈电双锥天线采用同轴Γ匹配馈电结构、电容耦合方式馈电，结构示意图如图2 所示。

图2 双锥柱形天线馈电示意图

天线匹配是靠调节天线馈电阻抗匹配器的特性阻抗、Γ 馈电电缆芯线的长度和Γ 短路导体的短路位置来实现的。

1.3 天线组阵

一般多元直线组阵宽带天线都是并联馈电，靠在两天线单元间加0.25λ0同轴扼流套的方法，抑制相临的下天线单元顶部的辐射电流向上流动、上天线单元底部的辐射电流向下流动，并直接参加辐射来满足天线频带宽度要求的。

用图2 所示的Γ 匹配双锥柱形对称振子天线作组阵单元。在两天线单元之间加用上天线馈电同轴电缆1 绕制的扼流圈3 替代传统的0.25λ0套筒扼流杯，在天线底部加用馈电同轴电缆2 绕制的扼流圈1。用馈电同轴电缆1、2 在NQ-20-37x23x15 磁环上绕制的扼流圈2 的方法。完成了并联馈电、两元直线阵的小直径垂直极化全向天线，天线构成示意图如图3 所示。

图3 两元双锥柱形天线阵

该天线具有近4 个倍频程的超宽带特性，天线的超宽带辐射特性是靠优化两天线间的组阵间距、两天线间的同轴扼流圈3 参数及天线底部同轴扼流圈2 的圈数来实现的。

天线匹配是靠调节两天线馈电阻抗匹配器3 的特性阻抗、Γ 馈电电缆芯线的长度4 和Γ 短路导体的短路位置7 及合路器来实现的。

2 天线的仿真测试分析

利用FEKO 软件对双锥天线的宽带特性进行了仿真计算、优化选图1 双锥柱形天线作天线组阵单元。图1 所示的双锥柱形天线和与图1 双锥柱形天线相同顶角、长度，锥末端直径为100 mm 的双锥天线的增益和匹配的仿真比较图，分别如图4、图5 所示，参考阻抗为250 Ω。

从图4、图5 可看出，双锥柱形天线增益和电压驻波比带宽比双锥天线窄一些，但基本能满足225 ～800 MHz 带宽要求。

图3 所示的由两元双锥柱形天线阵水平面增益仿真图，如图6 所示，虽然有凹点，但增益大于3 dBi主波瓣不分裂。两元双锥柱形天线组阵的车载天线垂直面仿真、实测方向图，如图7 ～9 所示。

从图7 ～图9 可以看出，仿真方向图和实测方向图形状、天线增益基本相同，天线在(200 ～800 MHz)频段内VSWR≤3.2，如图10 所示，证明该天线设计、优化方法是可行的。该天线底部配有减震弹簧，为一种安装在天线倒伏装置上使用的超宽频带垂直极化全向车载天线。

图10 实测车载天线VSWR

3 结 语

本天线用两对双锥柱形宽带天线单元组阵，采用在给上天线馈电的同轴电缆绕制扼流圈及在下天线底部加同轴电缆绕制扼流圈的方法实现了在225 ～800 MHz 的工作频带内天线辐射方向图主瓣基本保持在水平面上辐射最大，改善了天线的辐射性能。该天线不仅可作车载天线、固定架设全向天线使用，也可作角形反射器定向天线辐射体用。作全向天线使用时天线增益达到3 ～6.5 dBi，作90°角形定向天线辐射体使用时天线增益达到6 ～13 dBi。天线具有良好的带内匹配特性(VSWR≤3.5)。该天线为一种较为理想的VHF/UHF 超宽带小形化全向天线。

［1］王元坤，李玉权. 线天线的宽频带技术［M］. 西安:西安电子科技大学出版社，1995.

［2］ 吴荣远，曾百华，黄武装. 一种新型VHF 双频宽带高增益全向天线［J］. 中国电子科学研究院学报，2011，6(3):308-310.

［3］吴荣远，曾百华. 一种新型VHF/UHF 双频宽带车载全向天线［J］. 中国电子科学研究院学报，2011，6(4):420-423.

［4］WERNER P L. Design Synthesis of Miniature Multiband Monopole Antennas with Application to Ground-Based and Vehicular Communication Systems［C］//IEEE Antenna and Wireless Propagation Letters，2005.