地球仪制作方法简单2021.10设计研发
徐瑶俊，樊雪婷，郭庆功
(四川大学电子信息学院，四川成都，610065)
摘要：设计了一款2-lSGHz斜极化的全向天线，天线由一个超宽带水平全向的双锥天线和一个五层斜极化器构成。通过增加卷边结构以及优化双锥天线母线长度，改善了超宽带双锥天线低频增益不足和高频方向图裂瓣的现象，釆用五层极 化栅结构使辐射电场由垂直极化均匀的转换为45°斜极化。使天线在2-18GHZ内电压驻波比(VSWR)小于2，不圆度小于
3.5dB,0.89<|£fl|/<1.15,165°<AE e-5,<186°，具有良好的斜极化性能。
关键词：全向天线；超宽带；斜极化；双锥天线
Slant-Polarized Horizontal Omnidirectional Antenna for2-18GHz
UWB Applications
Xu Yaojun,Fan Xueting,Guo Qinggong
(School of electronic information,Sichuan University,Chengdu Sichuan,610065) Abstract：The article designed a2~18GHz obliquely polarized omnidirectional antenna.The antenna consists of an ultra wideband horizontal omnidirectional biconical antenna and a five layer t订ted polarizer.By increasing the curl strueture and optimizing the bus length of the biconical antenna, the phenomenon of low-frequency gain deficiency and high-frequency pattern split of the ultra wideband biconical antenna is improved.The radiation electrie field is uniformly converted from vertical polarization to45°oblique polarization by using a five layer polarization grid structure.The VSWR is less than2,roundness is less than 3.5db,0.89<|场|/隔<1.15,165。186。.巩has good oblique polarization performance when the diameter is less than186degrees.
Keywords；omnidirectional antenna；Uwb；Oblique polariza t i on；biconical ant e nna
o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OdBi，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。双锥天线任意丫处的阻抗由公式(1)所示：
Z(/)=V(y)/I(y)(1)
V(r)=W=^E o(ff)Ad0(2)
竝(&)为TEM波的电场，1(Y)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(丫TO)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：
申耳测说
啤益和咧耽靠⑶
对于大锥角的双锥天线，当电长度如>"时，输入阻抗随心/变化缓慢，对于小锥角双锥天线输入阻抗随
电长度的变化较大，因而具有大锥角的双锥天线具有宽带特性，尤其在2%接近90°时，双锥天线输入电抗在k0h>^/2后几乎为0，输入阻抗约为50Q，因而具有很宽的带宽。本次设计的2%为70°,/=2/4(X为2GHz对应的波长)具有超宽带特性。
通过计算极化栅的［S］参数，当釆用5层极化栅结构，斜极化器可得到9:1以上的带宽，第一层对电磁波起规整作用，使垂直于极化栅的电场全透射；第二至五层极化栅使电场方向逐渐转
换为斜45。。电场场和均分量的大小和相位决定了斜极化效果，产生+45。斜K化畅分酸件为|砌=闯、/Eo-E°=180。。
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。表1双锥天线参数
%%
1.52nm53.4mm37.8mm
H
yj
ELECTRONIC TEST
设计研发
2021.10
图1双锥天线
图2极化栅
和驻波分别如图7、8所示，在2-18GHz 频带范围内增益均 大于OdBi ；驻波小于2，不圆度小于3. 5d
B，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。
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«o=O , a ” =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e r=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
不加卷边 加卷边
HDPE多孔加筋缠绕波纹管3
6
9 12 15 18
Freq(GHz)
表2极化栅的角度
a 0 a x
a 2
a 3 a 4
0° 11.25° 22.5° 33.75° IF
3仿真结果分析
天线锥角0 一定时，双锥天线的母线长度对天线的方
制作简单机械向图影响较大，由图4可知当母线长L=l/2 X （X 为频带最低
频率对应的波长）、L=3/4 X 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=1/4X （X 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。
---- -------2 -------
5
O 5O 5O S O 5O 5O 5 --1-1-2-2-2-1-1- 8p 、3O J .U Q 0p CD N 8-tt:
180
图4双锥母线长度对高频（18GHz ）方向图的影响
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
图5卷边对增益的影响
双拼方案22
11
(亘
01U
一 e o
P
Q Z =e <p cr )8p
-------h=10mm ------h=9mm .......h=8mm -----h=5mm -------h=6mm -------h=7mm
毫米波天线4
8 12 16
20
Freq(GHz)
图6卷边对VSWR 的影响
|
-
dB(RealizedGainTotal) 6- /
4 2
(l o H u -a e p s z
暑)％
4
8 12 16
Freq(GHz)
图7天线增益
......._ O
64'0图8天线驻波比
产生+45。斜极化电场分量条件为|场| = |划、H
-
Z^ = 180°，由仿真结果图10可知0.89 ＜|场|/闯＜1.15, 165。＜/爲-/血＜ 186。，满足了产生斜极化的条件，实现了
由线极化到斜极化的转换。
甲耳测
BI
2021.10
设计研发
5
5
2-5-5-2 m p )u ro-0p g s.M m-p )c -ra o
p
a)-z
=s -or
d 面面 E H 图 9 （a ）、（b ）、 （c ）、 （d ）分别为 2GHz 、8GHz 、14GHz 、18GHz 方向图
4总结
仿真设计了一款高性能的超宽带水平全向斜极化天线，
天线直径为53. 4mm，髙为37.8mm 。天线由超宽带对顶双锥 天线和五层极化栅构成，极化器用于将双锥天线辐射的垂直 线极化波转换成斜45。极化。通过增加卷边结构以及优化 卷边及双锤天线的结构参数，解决了超宽带天线低频增益不 足以及高频方向图裂瓣的问题，并且改善了低频的增益不足
以及高频方向图裂瓣的现象，在满足超宽带的基础上具有良
好的斜极化特性。水平全向超宽带斜极化天线在2-18GHZ 内
VSWR<2、不圆度 <3. 5dB, 0.89 <|划/闯 <1.15, 165。<；占
坨,<186。，可适用于电子对抗、地面通信等应用场景。
图10 E 。和E t 电场分量的幅度比和相位差与频率的关系
皿7皆7参考文献
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