余阳;朱永忠;何伟
【摘 要】全向天线因其具有水平全向辐射特性,有利于高速运动的移动平台以及中继站接收各个方向的电磁波而受到广泛关注.综述了高增益全向天线的需求背景、典型结构和关键技术,依次介绍了共线折合振子阵、富兰克林全向共线振子阵、缝隙耦合串馈共线全向天线阵、同轴共线天线阵和印刷全向共线天线阵的结构特点,对比总结了它们各自的优缺点.最后还分析了高增益全向天线的宽带化、小型化、组阵等关键技术.为满足未来实际应用需求,高增益全向天线阵的宽带化、小型化技术将成为今后的研究重点. 【期刊名称】《电讯技术》
【年(卷),期】2018(058)011
【总页数】7页(P1356-1362)
【关键词】全向天线;全向天线阵;高增益;宽频带;小型化
【作 者】余阳;朱永忠;何伟
【作者单位】武警工程大学 信息工程学院,西安 710086;武警工程大学 信息工程学院,西安 710086;武警部队参谋部,北京 100089
【正文语种】中 文
【中图分类】仙台病毒TN82
1 引 言
全向天线在现代移动通信中应用十分广泛，如车载台、船载台、陆基导航系统以及中继站等设备都要求采用全向天线。美国IEEE Std145-1993中给出了全向天线的定义：在一给定的平面内的辐射方向图基本上是无方向性的，而在任一正交平面内则是有方向性的一种天线。因此，全向天线的特别之处在于它的辐射特性，可以在水平方向内实现360°均匀辐射，即向自由空间中的某一平面均匀地分布辐射电磁波能量，在该平面的方向图中数学表示为一个理想圆，这就使得全向天线有很大的应用潜能。例如,为了使车载、机载、船载等运动速度不定、轨迹不定的高速移动平台以及在各种状态下均可接受电磁波，一般都
要求使用全向辐射性能良好的天线。所以全向天线一直都是移动通信系统关注的重点问题[1]。
近年来随着通信技术的快速发展，高增益全向天线主要在结构上发生了很大变化。早期的高增益全向天线主要是柱状或者杆状的立体结构，例如1920年提出的富兰克林全向共线天线阵[2]、1989年由Balslay和 Ecklund提出的同轴共线天线阵[3]以及共线折合振子阵[4]都是此类结构，这反映了早期高增益全向天线都是垂直极化共线阵的柱状结构，此类天线至今还广泛运用于移动通信系统中。到了21世纪，也是移动通信迅猛发展的这十几年，更多的研究重点放在了宽带、高增益和小型化、轻型化等方面，高增益全向天线不再是柱状的立体结构，而更多的是采用平面印刷振子[5-7]作为天线阵的单元。此种结构的天线重量轻、成本低、制作简单，易于同安装表面共形，因而受到了广泛关注。总体来说高增益全向天线经过不断创新发展，经历了从体积笨重到轻型化、小型化，从窄带到宽带的发展过程。就目前所取得的成果来看，高增益全向天线的带宽普遍较窄，目前已有一部分文献在较窄的频带实现高增益，但宽带的高增益全向天线比较少，特别是在相对较宽的频带内保持着比较稳定增益的全向天线更是少之又少。当前越来越多的系统急需使用高增益宽带全向天线，而高增益全向天线还有一些技术难点有待进一步研究和解决。 本文将近年来国内外研究学者所提出的各类高增益全向天线进行了总结分类和归纳，并将各种高增益全向天线各项性能进行了对比，可以较清晰地看出它们各自的优缺点，以期为下一步设计高增益全向天线宽带化、小型化设计提供参考。
2 高增益全向天线的需求背景
任何一项技术的发展都离不开需求牵引。近年来定向天线越来越不能满足各类移动通信系统的要求，而高增益全向天线相比于定向天线有很大的优势，这种需求推动了全向天线的研究。
目前有些系统，例如视频监控系统、无线图传系统等，是需要建立自己独立的小型化，这样基地台才能收到手持终端设备传回的视频或图片。这种小型化的不便于跟移动一样每个频段用3个定向天线来覆盖服务区，同时为了让与位于服务区的移动手持终端设备实现高质量的通信，天线不仅需要均匀地照射服务区，而且增益还应尽可能地高，因此最好的选择是使用高增益全向天线。而目前全向天线很难在保证高增益的同时还实现较宽的频带。定向天线在某一方向上可以很容易实现高增益宽频带，因为能量集中在比较小的区域范围内，而全向天线向空间360°均匀辐射，如果辐射的范围大还要求其辐射
能量也高，在技术上是有一定难度的。除此以外，车载、船载等高速移动平台以及陆基导航系统中的测距仪为了实现可靠的、高质量的通信，都需要使用高增益宽带全向天线。因此，高增益宽带全向天线的研究非常具有现实的意义。
3 高增益全向天线的典型结构及关键技术
3.1 高增益全向天线阵的典型结构
目前全向天线的种类很多，有偶极子或单极子的印制全向天线[8-10]、贴片结构的全向天线[11-13]、单锥盘锥和双锥构成的宽带全向天线[14-16]和鞭状天线[17-18]等，但高增益全向天线通常是直立天线阵形式。这是因为提高全向天线增益最有效的方法是组阵，所以大多数高增益全向天线都是将全向天线振子单元通过一定方式组合成直立共线天线阵。目前已有的高增益全向天线主要可分为以下5类：一是共线折合振子阵；二是富兰克林全向共线振子阵；三是缝隙耦合串馈共线全向天线阵；四是同轴共线天线阵；五是印刷全向共线天线阵。
3.1.1 共线折合振子阵
折合振子天线属于比较经典的导线天线，由两端连接的平行振子组成，形成一个窄导线环，本质上是具有不等电流的非平衡传输线，常用作其他天线的馈电天线，如图1所示。将其用固定柱对称组阵后，全向性好，增益高，1～8元共线折合振子阵列的增益如表1所示。如图2所示，若同侧排阵，受固定柱的反射影响，水平面的方向图会偏向一侧。为获得较好的全向水平方向图，应在固定柱两侧架设天线单元[4,19]。
图1 折合振子Fig.1 Folded dipole表1 1～8元共线折合振子阵列的增益Tab.1 Gain of the collinear array of 1 to 8 elements
单元间距单元长度增益/dBd12345678λ0/2λ0/203.35.26.27.58.39.09.65λ0/85λ0/436.28.19.410.311.111.812.4
图2 折合振子天线Fig.2 Folded dipole antenna
3.1.2 富兰克林全向共线天线阵
光纤光栅压力传感器
富兰克林全向共线天线是由富兰克林在1920年提出的，经典的富兰克林天线结构如图3所示。其原理比较简单，采用级联方式进行同相馈电，并且将具有反向电流的λ/2(λ为介质波
长)线段折叠起来使其基本不辐射，从而把具有同相电流的λ/2线段保留下来，构成全向共线直立天线阵。对450 MHz富兰克林天线，测得3元阵和7元阵增益分别为3.2 dBd和7.2 dBd[2]。富兰克林全向共线天线阵具有结构简单、成本低的优点，其主要缺点是频带窄，易产生波束倾斜现象，且增益有限。
图3 富兰克林全向天线Fig.3 Franklin omnidirectional antenna
3.1.3 缝隙耦合串馈共线全向天线阵
缝隙耦合串馈共线全向天线阵如图4所示。其同轴线外导体上周期性的环形缝隙对套筒偶极子进行耦合馈电，扼流套既充当辐射臂又能抑制同轴线外壁上的电流。缝隙间距λg(λg为同轴线中的波长)约为0.7λ(λ为真空中的波长)，可保证各阵元电流同相。此外,这类天线还有一优点就是旁瓣电平低，可低于-15 dBi。
图4 缝隙耦合串馈共线全向天线阵Fig.4 Slot coupling series-fed collinear omnidirectional antenna array
在此阵列的基础上，将扼流套改为半波长的寄生辐射单元，可以在某种程度上增加天线的
宠物清洗机带宽。除此之外，将底馈改成中馈，这样能有效改善波束倾斜现象。例如，西安电子科技大学俱新德教授[4]设计的6单元中馈缝隙耦合套筒偶极子天线阵的增益能达到8 dBi,8单元中馈缝隙耦合套筒偶极子天线阵的增益能达到10 dBi,10单元的增益可达到11 dBi。随着单元数的增加，其相互之间的损耗增大，增益不会再有明显改善。总体来说，这是一种实现高增益全向天线比较好的方法，不仅带宽较宽，全向性好，在带宽内波束无倾斜现象，且驻波比能降到很低，但阻抗匹配较难调节。
光学玻璃加工设备
3.1.4 同轴共线天线阵
简称coco(coaxial collinear)天线，曾由日本喜连川等人作了初步分析，也称喜连川天线。图5所示是最早期的coco天线结构，通过内外导体交叉连接恰好抵消电压因传输而产生的相位差，从而使得整个天线阵上的所有单元获得同相激励电压，容易实现较高增益。当天线的单元数从4单元增加到10单元时，天线的增益可从3.95 dBi增加到12.06 dBi，但其带宽受到很大限制。通过调整每个单元间的距离，或在顶端加载套筒的方法可增加其带宽。雨水收集利用系统
图5 coco天线结构Fig.5 Structure of coco antenna
coco天线阵具有高增益、结构简单、易加工的优点，在许多通信雷达系统中广泛使用。例如在POKer Flat的Meosspher-Stratosphere-Troposhere(MST)雷达是由256个独立的用同轴电缆制成的coco天线阵；秘鲁的Jicarnaraca射电天文观测台就安装了由1 536个铝管制成的大型高增益、高分辨率的coco天线阵列作为其雷达的观测天线系统。近年来，coco天线不在局限于立体结构，还有微带结构的coco天线阵相继被提出。Zhao等人[20]运用标准印刷电路技术，设计了一种微带coco天线阵结构，实现了高增益，全向性好，其中相对带宽达到24.5%。Majkowski[21]提出利用挖槽技术，可大大提高微带coco天线阵的带宽。Zarifi[22]在coco天线阵每个单元上适当的位置引入狭窄的缝隙，可使其相对带宽达到14%(VSWR<1.5)，有效提高了天线阵的带宽。
3.1.5 印刷全向共线天线阵
印刷全向共线天线大致可以分为两类，一类是印刷偶极子共线天线阵，如图6所示；另一类是印刷全向微带天线阵。印刷振子结构紧凑，可以将辐射体、馈线刻蚀在同一块介质板的两面，且成本低、重量轻、制作容易、一致性好。印刷偶极子天线易于组阵，能有效提高增益。Wong 等人[23]将两个半波长偶极子背靠背地印制在介质板的两侧，用微带线馈电网
络以中馈方式给偶极子馈电，相对带宽5%(VSWR<1.5),最高增益达到6 dBi。后来张运启等人[24]仍采用此种结构，但加粗了偶极子臂和加载宽带馈电巴伦结构，使得相对带宽达到44.7%(VSWR<2)。
图6 印刷偶极子天线Fig.6 Printed dipole antenna
第二类印刷微带天线阵的原理跟同轴共线天线阵相似，只不过用λg长微带线来代替λg/2长同轴线，且把λg/2长微带线的带线和地线交叉连接，构成全向微带天线阵。如图7所示，微带传输线由于每隔λg/2电流反相，相互抵消，因而无辐射，但每隔λg/2把微带线的带线和地线反相连接，在第一个和最后一个单元距离微带线地线边缘λg/4处把微带线短路，结果使微带线和带线交错换位处电场最大，在作为所有辐射单元使用的微带线地线的中心不仅电流最大，而且使所有辐射单元电流同相，从而实现全向辐射。矩形的全向微带天线阵单元还可改为其他形状，如圆形、椭圆或者不同形状交叉使用[21]，如图8所示。研究发现，采用圆形单元增益最高，采用椭圆和矩形单元交叉的结构，旁瓣电平最低。Tang等人[25]采用渐变式的矩形辐射单元也可以有效降低旁瓣。
图7 印刷微带天线阵Fig.7 Printed microstrip antenna array
图8 各种形状的微带天线阵Fig.8 Microstrip array of various shapes
3.2 高增益全向天线的关键技术
pfa喷涂3.2.1 组阵技术
从以上介绍的高增益全向天线的结构来看，比较常用的组阵方式是串联馈电形式，即天线阵是由传输线和与之相连的天线单元串联构成的。这种馈电方式结构紧凑、损耗小，因而使用较广泛。采用此种方式组阵的全向天线阵要遵循的一个原则，就是要保证每个单元同向馈电，减少单元之间的互耦，以此实现高增益，因此每个天线单元的间距大约为一个介质波长。另一种组阵方式是并联馈电形式[7]，这种组阵方式比较复杂，仅仅将天线并联连接是不够的，往往还要设计馈电网络才能匹配，制作难度上有所增加。但同时因宽带并联馈电网络的加入，可极大地提高全向天线阵的带宽。除此之外，还可采用串联并联混合式馈电的方式[26]。这种方式目前使用得不多，主要是因为空间布局比较难，需要很巧妙地设计天线单元、传输线和馈电网络之间的距离。通过阻抗变换和异相，使天线的每个辐射单元都保持同相且幅度相等。
豫公网安备41160202000603
站长QQ:729038198
关于我们
投诉建议