2-18GHz超宽带斜极化水平全向天线设计

2021-07-03徐瑶俊樊雪婷郭庆功

电子测试 2021年10期

关键词：驻波极化增益

徐瑶俊，樊雪婷，郭庆功

（四川大学电子信息学院，四川成都，610065）

0 引言

本文采用对顶双锥和极化器结构设计了一款2-18GHz超宽带斜极化水平全向天线，增益大于0dBi，方向图的最大辐射方向为均为水平方向且不存在高频最大辐射方向裂瓣现象，不圆度小于3.5dB。

1 设计理论分析

双锥天线是常用的宽带水平全向天线，它具有结构简单，频带宽，水平全向性好等优点。有限长双锥天线由于存在端面反射现象，内域场的值为沿着径向正负两个方向传播TEM波和高次模的总和。双锥天线任意γ处的阻抗由公式（1）所示：

E0（θ）为TEM波的电场，I（γ）为双锥天线表面的总电流，由于天线顶点附近的面电流趋近于0，则高次模对双锥天线表面总电流没有贡献。于是有限长双锥天线的输入阻抗为TEM模在（γ→0）时电压接天线面电流之比。当天线锥角较大时，TEM模以及低次的TM模对天线辐射特性起主要作用，双锥天线的等效终端导纳简化为公式（3）所示：

2 天线仿真设计

双锥天线及极化栅结构如图1、2、3所示，双锥天线顶端加载卷边结构，提高了低频段增益，双锥天线参数如表1所示。

图1 双锥天线

表1 双锥天线参数

图2 极化栅

极化器由5层极化栅构成，用来滤除双锥天线辐射出的垂直极化波的水平分量。则第一层α0=0,αN=45°能够辐射斜45°极化波，本次设计采用五层结构极化器每层极化栅的角度如表2所示。极化栅的底板材料为Rogers Duroid 5880，其厚度为0.25mm，相对介电常数εr=2.2。金属条的宽度W主要影响驻波比，金属条间隔S和极化栅的间隔会影响方向图和极化性能，每层极化栅的间隔用泡沫材料填充并起到固定作用，馈电方式采用同轴馈电，其中同轴的外导体与下盘连接，同轴的内导体与上盘连接,图3为整体天线结构仿真图。

图3 天线整体结构

表2 极化栅的角度

3 仿真结果分析

天线锥角θ一定时，双锥天线的母线长度对天线的方向图影响较大，由图4可知当母线长L=1/2λ（λ为频带最低频率对应的波长）、L=3/4λ时，双锥天线在18GHz方向图的最大辐射方向出现裂瓣现象，如果不加以改善，增加极化栅之后会使方向图裂化加剧，当母线长L=1/4λ（λ为频带最低频率对应的波长）时改善了高频方向图裂瓣，卷边结构对天线增益具有一定的影响如图5所示，由仿真结果可知增加卷边结构可以明显增加低频段增益，采用合适的卷边长度同时也起到了阻抗匹配的作用，当卷边长度为7mm时可改善低频段的驻波如图6所示。

图4 双锥母线长度对高频（18GHz）方向图的影响

图5 卷边对增益的影响

图6 卷边对VSWR的影响

增加极化栅结构会对全向天线的不圆度以及驻波变差，通过优化金属条的宽度以及每层极化栅间的距离减小极化栅对天线性能的影响。经过大量的仿真设计优化结果为w=2mm、s=2mm，每层极化栅间的间隔为4mm。斜极化天线增益和驻波分别如图7、8所示，在2-18GHz频带范围内增益均大于0dBi；驻波小于2，不圆度小于3.5dB，在2GHz、8GHz、14GHz、18GHz方向图如图9所示，随着频率的增加，不圆度变差但最大辐射方向仍为水平方向没有出现裂瓣现象。