高增益全向同轴CTS天线设计

赵春锐 陈星

四川大学电子信息学院，四川成都 610000

0 前言

在诸多通信领域，包括无线电视广播、星载卫星通信、地面移动通信系统、室内终端互联等场合[1]，为了实现信号在水平方向的大范围全面覆盖，除了需要提高发射总功率，还需要使用高增益的全向天线。

为了实现高增益，传统的全向天线一般采用微带或同轴共线COCO（Coaxial Colinear）等形式[2]。文献[3-6]中，微带天线形式虽然容易通过增加辐射阵元的数量来提高天线增益，但是由于天线自身的物理结构为扁平状的介质印刷基板，并非旋转对称的结构，所以实现低不圆度方向图要相对困难一些，并且，当天线辐射单元增加到比较多时，天线整体的形状为比较薄的细长条状，且由于介质基板的硬度不像金属硬度那么高，容易发生弯曲变形。而对于文献[7-8]中的COCO天线，一般被应用在高频或甚高频的频段。对于频率更高的频段，比如本文的5.8 GHz频段，此时由于频率的升高，天线的尺寸也随之变得比较小，出于对加工精确度的误差要求，普通的传统机械加工较难取得一致性，很难实现低成本的大规模批量生产。

20世纪90年代初，平面波导CTS天线被发明[9-10]，这种平面CTS天线通过在平板波导上开一系列的横向缝隙，并在开缝处增加矩形金属辐射枝节实现电磁波的辐射，通过增加横向缝隙的数量，可有效地提高天线的增益。但这种平面波导CTS天线的辐射方向图并非是全向的，而是定向天线。本文将CTS技术应用于同轴线上，设计了一支具有较高增益、馈电结构简单且易于调谐的，工作于5.8 GHz的水平全向辐射天线。该天线在结构上具有加工简单，牢固性好且制造成本低廉的优点。在性能上，具有良好的阻抗带宽和全向辐射特性，并能在水平面达到较高的增益，且鲁棒性良好。

1 同轴CTS天线结构及仿真分析

图1是同轴CTS天线的纵截面和三维示意图，天线由多个CTS辐射单元级联组成，并在输入端和终端对单元长度进行了改变，以更好地进行阻抗匹配，且天线终端短路。CTS单元的两端为同轴线结构，同轴线外导体中间截断开缝，内导体裸露作为辐射源，电流在内导体上流动，所以天线极化方向应与内导体方向一致。使用该天线时，应使其竖立起来，所以天线为垂直极化，并在截断处加载金属圆盘，同轴线填充介质为空气，天线是全金属结构。

其中，a值为1.00 mm、b值 为2.50 mm、R值为20.00 mm、Ds值为27.75 mm、Dt值为49.75 mm、De值为10.00 mm、Df值为8.00 mm、n值为7。

圆盘具有减小单元间耦合的作用，同时影响天线的阻抗匹配。在同轴线内传输的TEM模电磁波遇到截断处的金属圆盘横向枝节向TM0m模过渡，并在端口因不连续性而产生向自由空间的辐射。根据同轴线特性阻抗计算公式（1），此时的同轴线阻抗为54 Ω。天线的工作频率由辐射缝隙的间距决定，根据工程经验，缝隙间距Dt要略小于波长51.72 mm，同时，缝隙的宽度Ds约为二分之一波长时可以得到最小的反射损耗[11]。

其中，a、b——同轴线内外导体半径；

εr——填充介质的相对介电常数。

首先对单个同轴CTS单元进行仿真分析，同轴CTS单元如图2所示，对于单个同轴CTS单元，能量从同轴线一段馈入，一部分能量由于阻抗失配反射回来，一部分能量通过辐射缝隙进行，其余部分能量则传输至下一端口。同轴CTS单元是一个二端口网络，设置两个端口阻抗均为50 Ω，在给定单元总长度Dt为49.75 mm、圆盘半径R为20 mm的情况下，对不同缝隙宽度Ds情况下的|S11|进行仿真，结果如图3所示。

由图3可知，在其他参数不变的情况下，缝隙宽度Ds影响谐振频率，Ds增大时谐振频率上升；Ds减小时则谐振频率下降，所以选取Ds值为27.75 mm，以获得5.8 GHz频率下最小的反射损耗，此时的缝隙宽度略大于二分之一波长，同轴CTS单元的辐射效率η如图4所示，为21.4%。

从图1的纵截面来看，横截线（即金属圆盘）部分可以视作一段传输线，根据传输线理论[12]，天线性能与圆盘半径R紧密联系。辐射缝隙部分场的模式变化受圆盘半径的影响如图5所示。可以看出，天线增益随圆盘半径R近似于周期性变化，且变化周期大概是二分之一个波长，这与传输线阻抗的二分之一波长周期相吻合，所以选取圆盘半径大小为在第一个极大值点出现的附近，即R值为20 mm。

如果近似认为每个CTS单元的辐射效率η相等，均为21.4%，则总辐射效率ηt与n的关系可以表示为：

其中，η——CTS单元的辐射效率；

n——CTS单元的个数。

该表达式的图像如图6所示。

根据图6，n为7时，总效率ηt已经可以达到85.4%，且单元数超过7之后，效率增长速率缓慢，故暂将同轴CTS天线单元数n确定为7，为了使阻抗匹配良好，终端采用短路形式。对终端短路枝节的长度Df进行了仿真分析，如图7所示。可以看出，终端短路枝节的长度影响着天线的阻抗匹配，根据仿真结果，选取Df值为8 mm较为合适，此时天线的谐振频率恰好为5.8 GHz，且在该频点下的|S11|为-29 dB。

同轴CTS天线终端短路，本质上是串馈行波天线，天线增益与单元个数相关，但各单元辐射能量自输入端到终端递减，当单元数提高至一定数量后再继续增加单元，冗余的单元几乎不再参与能量辐射，对天线增益提高的贡献很小，并且过多的单元数会使得天线过于细长，很容易产生形变。从图8和图9中可以看出，天线增益随单元数的增加而提升，但当单元数为8时，增益提升效果减弱，并且天线的|S11|开始变差，这是由于改变了单元数导致天线阻抗变化，可以通过改变终端短路枝节长度Df等参数进行调节，并且，天线总单元数过多会导致天线的总长度过长。出于对天线结构的稳定性和增加单元的辐射效率两方面综合考虑，选取单元数为7是比较合适的，此时的天线总长度为39.4 cm。

2 测试结果及分析

对上述设计的7单元级联同轴CTS天线进行了加工。为了固定天线，在实物上增加了一些固定件，包括若干个聚甲基丙烯酰亚胺（polymethacrylimide，PMI）泡沫和尼龙螺柱，其中泡沫用于固定同轴线内导体，尼龙柱用于控制和定位CTS单元的间距，仿真验证表明，这些固定件对天线的性能影响很小。加工的天线实物图如图10所示。

使用安捷伦N5230A矢量网络分析仪对天线的|S11|进行测试，并在微波暗室中进行了天线的方向图测试。图11为天线的|S11|仿真与测试对比图。从图中可以看出，实测|S11|曲线相对于仿真向左偏移，但在5.8 GHz仍低于-20 dB。

图12为天线的远场H面与E面方向图仿真与测试结果对比：仿真增益为11.1 dBi，实测增益12.1 dBi；仿真垂直面3 dB波束宽度为6.3°，实测值7.8°，实测最大不圆度为±1.3 dB。主要原因是加工和装配时导致天线出现了变形，天线具有一定不圆度，也导致了实测增益值略高于仿真增益。

3 结束语

本文设计了一种具有较高增益的同轴CTS阵列天线，有7个辐射单元。在水平面提供非常好的全向辐射方向图，增益高达12.1 dBi，并且没有波束倾斜，由于加工误差使得最大不圆度为±1.3 dB。此外，天线输入阻抗为50 Ω，实测|S11|＜-10 dB的阻抗带宽为6.2%（5.61～5.97 GHz），与仿真结果吻合良好。同时，该天线具有结构简单、加工制造成本低的优点。这些特性使该天线成为无线通信系统（包括本地和中心基站）的一种良好选择。