L波段高增益全向天线的设计

冯文文，高 初，左 斌，秦 浩

(中国电子科技集团公司第三十八研究所，合肥 230088)

0 引 言

全向天线广泛应用于雷达和通信系统，其波束可实现水平方向360°的均匀辐射。常见的全向天线大多为微带形式[1-3]。微带全向天线制作简单，重量轻，成本低，易于大批量生产，但该形式的天线承受功率小，效率低。如果该类天线实现全向高增益方向图，则须增加微带板的长度，进而影响天线的力学特性。盘锥结构[4]全向天线常在宽频段工作，该类天线水平面方向图圆度指标较好，但在垂直面不易形成系统需要的赋形方向图。同轴套筒天线[5]是另一种常用的全向天线结构，采用同轴线馈电，利用轴向排列多个套筒结构，可以在垂直方向上形成一定的电流分布，从而在水平方向产生较大的天线增益，同时实现垂直方向的波束赋形。

本文在多套筒结构全向天线的基础上，充分考虑天线的工艺可实现性，通过建立精准三维模型进行仿真和参数优化，设计得到符合系统指标的全向天线。

1 天线设计

1.1 天线结构形式

本文介绍的多套筒天线结构形式如图1所示。该天线由同轴套筒、馈电同轴线、介质支撑、反射板和天线罩等部分组成。由于系统需要不小于5 dB的增益，该天线用4级同轴套筒作为辐射体，类似2个共轴排列的半波对称振子天线。同轴套筒内部由馈电同轴线进行馈电，馈电同轴线的内导体外径为r1，外导体内径为r2。套筒的外径D2，每级套筒之间通过聚四氟乙烯材料支撑。聚四氟乙烯支撑件通过专门设计，正好卡在馈电同轴线和套筒之间，能保证各级套筒共轴，避免套筒发生横向尺寸偏移。馈电同轴线输入端口采用N-K型连接器，末端为短路枝节进行阻抗匹配。

图1 全向天线结构示意图

1.2 天线罩形式

该全向天线在室外环境使用，天线罩用于防护风沙和雨水侵袭。根据天线的工作频率和加工成本，选用结构简单的薄壁天线罩。薄壁天线罩壁厚d的取值要尽量小地影响天线的电性能指标，厚度d通常由下式给出：

(1)

式中，λ为天线的工作波长；ε为天线罩的相对介电常数。

天线罩材料选用环氧预浸料，该材料是纤维和树脂组成的复合材料，具有较好的透波性能和机械强度。天线罩的壁厚为1.5 mm，直径80 mm，天线罩顶部采用锥台状。为保证防水效果，天线与天线罩之间采用聚氨酯密封胶密封。

1.3 天线结构参数优化结果

可以通过先简单后复杂的方法获得天线的电磁特性，即不考虑介质支撑和天线罩的影响，优化得到一组较好的结果；然后逐步加入各种介质材料，通过多次迭代和优化计算，最终得到准确天线模型下天线的电性能指标，图2为天线仿真模型及波束示意。为方便加工，天线优化后的各参数取整处理，其中L为天线安装天线罩后的总长度，具体数据见表1。

1.4 功率容量分析

天线的功率容量受多种因素影响，在设计时可以先通过场仿真给出理论计算结果，然后用实物进行大功率试验验证。在天线模型中，由图3可以看出电场的最大场强位于馈电同轴线内导体附近区域，因此馈电同轴线的功率容量决定了天线的功率容量。

图2 全向天线仿真模型及波束示意图

表1 优化后的参数(单位：mm)

图3 天线内部场分布示意图

功率容量为

(2)

式中，r1为同轴线外导体的内半径；r2为同轴线内导体的外半径；Ebr为介质的击穿场强，空气介质的击穿场强Ebr=3×106V/m；η0=377 Ω为自由空间的波阻抗。

由式(2)得到馈电同轴线所能承受的最大功率为185.4 kW。实际上，天线的功率容量受很多因素影响，如加工装配误差、金属表面的粗糙度、天线驻波比、大气压强和空气湿度等。天线实际功率容量须在仿真计算的基础上留10 dB的余量，因此本天线所能承受的最大功率约为18 kW。

2 天线仿真与测试

根据天线仿真参数加工天线实物，如图4所示。天线的驻波比曲线和方向图参数分别由矢量网络分析仪、球面近场测量系统测试得到，如图5～图7所示。可以看出，天线实测结果与仿真结果基本一致，具体指标对比见表2，满足系统要求。

图4 天线实物架设图

图5 天线驻波比曲线

图6 天线水平面方向图曲线

图7 天线垂直面方向图曲线

表2 全向天线指标要求

3 结束语

本文设计的全向天线具有高增益、大功率等特点，在设计时充分考虑天线的边界条件，尤其是介质支撑和天线罩对天线电性能的影响。为方便加工，天线优化后的尺寸尽量取整数，制作好的天线无须调试，即可满足指标要求，有利于批量生产。目前该天线已应用于某电子系统中，可为类似天线研制提供参考和借鉴。