Science and Technology &Innovation ┃科技与创新
2021年第04期
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文章编号：2095－6835（2021）04－0161－03
柯晨希1，李铭伟2
（1.武汉理工大学，湖北武汉430070；2.空军预警学院，湖北武汉430019）
摘要：概述了宽波束天线的研究现状，总结了宽波束天线的关键技术，介绍了宽带宽、低剖面宽波束天线。并 根据当前研究的热点问题，提出对宽波束天线未来研究方向的展望。关键词：天线；宽波束；宽带宽；低剖面中图分类号：TN927文献标志码：A
DOI ：10.ki.kjycx.2021.04.066
1引言
天线作为无线通信系统中重要的射频前端组件，用于接收和辐射电磁波，实现电磁波与导行波的相互转换。近年来，随着民用无线电通信系统，军用雷达、电子对抗等新型武器装备的研制成功，宽波束天线技术得到了进一步发展。
在卫星定位、雷达探测、电子对抗等无线电通信系统中，为了确保信号传输质量和传输速率，天线往往要具备很宽的波束宽度和较宽的频带[1]。同时，随着现代无线电通信系统朝着小型化趋势发展，天线的低剖面设计也是当前的一个研究热点。如何设计一款高性能的宽波束天线，是确保整个系统性能的关键。
本文总结了宽波束天线的发展现状，介绍了几种宽波速天线，并且根据当前研究的热点问题，提出对宽波束天线未来研究方向的展望。2宽波束天线的研究现状
传统的微带天线的3dB 轴比波束宽度（ARBW ）约为70°～100°。在早期的无线通信系统中，传统的四臂螺旋天线就可以做到这点，这是因为其远场方向图波束宽度相对比较宽。但由于地板的制约，传统的微带天线波束不可能展到很宽。
为满足实际运用需求，人们对波束展宽技术的研究一直在进行。至此，许多学者提出了许多展宽天线
的轴比波束宽度的方法。虽然方式不同，算法各异，但技术思想一般都是在调整两个正交场分量的远场波束形状或波束宽度，在宽角度范围内保持它们的波束形状几乎相等[2]。按照工作原理，可以将这些方法分为以下几类。
第一种方法为采用螺旋天线。通过使用螺旋天线，可以得到天线产生的圆极化电磁波，圆极化波的波束张角一般比较宽。该方法的优点为螺旋天线质量轻，成本较低，缺点是螺旋天线结构较为复杂，需要进行精细的加工[3]。
第二种方法为改变介质板的特性。文献[4]通过微带天线在法线方向辐射最大，电磁波在介质基片生成切向电厂的特
性，通过增加最大介质基片的面积拓展了波束宽度。这款天线的3dB 轴比波束宽度可达180°，法线方向增益为2.7dBi ，在仰角仅为10°的情况下，增益也达到了0.5dBi 。利用该方法可以在不需要考虑天线尺寸的情况下大幅度展宽波束。
第三种方法为采用磁电偶极子。利用磁电偶极子辐射方向图的互补特性，可以有效拓展天线波束宽度。文献[5]设计了一款工作在1.6～2.47GHz 的宽波束圆极化天线，该天线的优点是可以单向辐射，辐射方向图对称等，其3dB 轴比波束宽度可达85°。
第四种方法为背部加载法。利用金属腔体代替天线反射器，可生成具有宽波束和高前后比的单向辐射源方向图[6-8]。文献[7]研制了一种加载磁电偶极子的单馈背腔交叉偶极子天线。该天线将3dB 轴比波束宽度提高到了165°以上。
第五种方法为加载短路探针。引入附加的垂直电流分量至主辐射单元附近，可以产生更均匀的辐射图[9-10]。文献[9]设计了一种加载短路探针的圆极化天线，该天线由一个开槽的方形贴片和两对短路探针组合而成。
文献[9]经过验证得出，该天线通过加载短路探针的方式不仅可以使谐振频率下移，而且可以使3dB 轴比波束宽度大幅度拓宽，最大可达188°。
第六种方法为采用十字交叉振子天线[11-13]。其中两振子夹角为90°，其阻抗由长度和半径确定。
由于十字交叉振子天线结构并不复杂，在理想条件下可以认为天线阻抗完全由两个交叉振子决定。当调节天线振子长度与半径使得天线阻抗合适时，可以在天线内形成两个正交电流，电流相互垂直，相位相差90°，利用正交电流就可以在空间内形成圆极化波，从而展宽天线波束。
除了以上常见的几种方法外，文献[14]通过加载导电壁缩小辐射口径的方法将波束宽度展宽到了130°，文献[15]通过顺序旋转辐射单元阵的方法将波束宽度扩展到了126°。
以上介绍总结了一些天线波束展宽的技术。随着无线电通信系统的发展，不仅对天线的波束宽度有要求，对天线的
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科技与创新┃Science and Technology&Innovation ·162·2021年第04期
尺寸也提出了一些限制，同时，在性能方面还需要天线能够工作在较宽的频带。因此天线的小型化与低剖面、宽频带等方面是学者们研究的方向，下面介绍宽带宽、低剖面宽波束天线的几种关键技术。
3宽带技术
为了节约成本，移动通信系统一般做成宽带系统。目前，宽带技术主要可以分为以下几种。
第一种为增大剖面。这种方法通过增加背腔缝隙天线的腔体深度和微带天线的基板厚度达到展宽带宽的目的。采取该方法需要注意，随着天线剖面增大，会导致天线输入阻抗的电感增大，这时一般需要采用电容补偿馈电技术使天线输入阻抗匹配[16]。
第二种为寄生单元加载。在天线结构中，通过增加贴片或缝隙可以在主谐振频率附近引入寄生谐振，但要求贴片或缝隙的尺寸与主辐射片相近且不同。采取该方法制作出的天线结构是单层或多层的。单层的优点是天线剖面不变，但横向尺寸有所增大，而多层结构刚好相反[17-18]。
第三种为增加匹配网络。通过额外增加匹配网络可以增加天线工作带宽，该方法在天线改变后的工作频带一般不会高于匹配网络自身的频带宽度。但由于增加了匹配网络，存在损耗，一定程度上减少了天线辐射效率[19]。
第四种为改变天线结构。因为天线的带宽和其Q值互为反比，所以通过改变天线结构，降低天线Q值、从而达到展宽天线的工作频带的目的[20-21]。但是运用这类方法，需要注意在改变天线结构时不能过于影响天线其他工作性能。
利用以上技术，可以达到展宽频带的目的，避免了利用多副天线之间形成的互耦效应，确保了通信质量。
4低剖面技术
在无人机等一些特殊的场景中，天线的体积一直是人们关注的。天线的体积决定了通信系统能否集成化、小型化。具有低剖面结构的宽波束天线，有利于提高系统的机动性和灵活性。目前常用的低剖面技术主要有以下几种。
第一种为使用高介电常数的介质基板。天线尺寸一般与工作波长成正比，使用高介电常数的介质基板相当于减小了电磁波在介质基板中的工作波长，即达到小型化的效果。文献[22]提出了一种低剖面的
宽波束圆极化交叉偶极子天线。该天线使用介电常数为2.2的金属结构作为地板，具有低剖面的性能，剖面仅0.13个波长，达到了良好的小型化效果。
第二种为加载寄生枝节。通过加载寄生枝节可以使天线谐振频率偏移或带宽增大，从而减小天线的尺寸。文献[23]中提出一种三模宽带宽波束天线，在基于典型的倒L型圆极化孔径天线的地板上开缝，在低、中、高频出分别可以得到TE11、TE21、TE31模。将天线整体等比例缩小后，可以在地板上切角的带较宽的带宽和波束，相对于原来的倒L型天线带宽增加了71%，尺寸却缩小了47%，实现了低剖面。
第三种为进行容性加载。对天线进行容性加载是有效的小型化方式。文献[24]提出了一种小型化的可植入的宽波束天线。馈电点位置在介质边缘，通过在介质四角开缝及在四边开出弯折形槽线，使得天线谐振并展宽波束，经过测试相较于普通的方形贴片天线，其尺寸减小了大约72%。
除了以上几种方法外，在天线类型中存在非常多的特殊形状，如PIFA天线结构，E形天线结构等。这些类型的天线在工作时的实际有效尺寸会大于物理尺寸，以此达到低剖面的目的。
5宽波束天线的发展方向
从宽波束天线发展趋势及通信系统面临的各种挑战来看。宽波束天线技术的发展将遵循以下几个方面。
5.1使用新材料
超材料是指自然界未知特性的材料和结构的组合，例如电磁隐身、超材料波导、吸波材料等。超材料是近几年发展起来的，当前已成为热门的研究课题。使用超材料的宽波束天线可以大大提高天线结构的性能，可以设计出具有大幅增益、更宽带宽以及独特方向图的宽波束天线，具有常规材料所缺乏的许多优越特性，受到众多天线设计师的青睐。
5.2体积小型化
天线的小型化是永恒的发展方向。通信系统的小型化、集成化的发展趋势注定了宽波束天线也一直会朝着小型化的方向发展。因为天线性能与天线的尺寸密切相关，所以设计者们需要综合考虑天线的尺寸和功能，这就需要广大学者和设计者们进行不断的研究摸索。
5.3功能模式智能化
未来通信设备是高度集成一体化的，天线将实现智能化的波束赋形、波束指向控制等功能。一套智能化的波束天线可以灵活满足多种应用场合。通过智能化调节宽束宽度，可以将天线资源灵活运用，实现系统资源的优化利用。
6结束语
本文首先总结了宽波束天线的发展现状，介绍了几种宽波速天线。最后，根据当前研究的热点问题，提出对宽波束天线未来研究方向的展望。
根据本文分析可以看出，宽波束天线发展的速度是惊人的，基于实际应用需求以及新材料、新技术的发展，可以预计将会有更多的新型天线问世，这必将推动整个无线电领域更大的发展。
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作者简介：柯晨希（2000—），男，湖北武汉人，主要研究方向为通信工程。
〔编辑：丁琳〕
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