一種具有雷電防護(hù)功能的高增益垂直極化全向賦形天線設(shè)計

景小東 劉肅正 王維云

(1.中國西南電子技術(shù)研究所,四川 成都 610036;2.陜西烽火諾信科技有限公司,陜西 寶雞 721006)

0 引言

隨著通信技術(shù)的發(fā)展,對高增益全向天線的需求越來越高。遠(yuǎn)距離地空通信系統(tǒng)中,在地面站天線低仰角波束范圍內(nèi),需要實現(xiàn)較高的增益以滿足通信距離要求。尤其在機(jī)場等地面基站遠(yuǎn)距離、低仰角通信系統(tǒng)中,由于通信目標(biāo)可能出現(xiàn)在任意方向,在滿足大功率、高增益需求的同時,需要天線方向圖能夠?qū)崿F(xiàn)水平360°覆蓋。而對于安裝在高處的遠(yuǎn)距離通信天線通常需要做防雷電處理。

傳統(tǒng)基站天線系統(tǒng)中,全向天線的應(yīng)用很廣泛,文獻(xiàn)[1]～[4]提出了幾種應(yīng)用于移動通信基站的高增益全向天線,最大輻射方向在水平面,仰角增益較低。文獻(xiàn)[5]提出了一種賦形天線,由于波束賦形范圍較小,通信范圍受限。文獻(xiàn)[6]～[7]提出了2種采用遺傳優(yōu)化算法實現(xiàn)寬角度波束賦形的天線,彌補了方向圖波束覆蓋的不足,但由于天線形式限制無法滿足遠(yuǎn)距離通信系統(tǒng)大功率的需求。

本文設(shè)計了一種大功率高增益全向賦形天線,工作頻段為1.41～1.46 GHz。天線采用印刷偶極子天線作為天線單元進(jìn)行賦形設(shè)計,通過遺傳算法優(yōu)化陣元激勵幅度和相位進(jìn)行饋電,使天線在低仰角范圍內(nèi)具有較高的增益,4組賦形子陣列360°均勻分布,實現(xiàn)方向圖全向覆蓋。通過適當(dāng)增加印制板覆銅厚度滿足大功率需求,同時在天線中心設(shè)計避雷針起防雷作用。仿真設(shè)計并加工制作了天線實物,測試結(jié)果表明,該天線適用于地面站遠(yuǎn)距離通信系統(tǒng)。

1 天線設(shè)計

本文設(shè)計了一種用于地面遠(yuǎn)距離通信的系統(tǒng),具有防雷功能的大功率垂直極化全向賦形天線。如圖1所示,它由4塊印制板輻射體、印制板安裝架、4根等長度射頻電纜、一分四功分器、天線罩、上下底盤及避雷針幾部分組成。一分四功分器固定安裝于下底板中心位置,印制板安裝支架通過底部支架與功分器連接為一體,每個印制板輻射體分別固定安裝于安裝支架一側(cè),繞支架中心間隔90°均勻分布排列,4塊印制板與功分器4路出口之間通過4根等長度同軸射頻電纜電連接。為了防雷,需要在底座的接地平面中心安裝直徑為20 mm 的金屬避雷針,避雷針通過安裝支架中心連通上下底板且伸出上底板,圓柱形天線罩與上下底板之間固定安裝,起屏蔽保護(hù)作用,如圖1(a)所示。

圖1 天線結(jié)構(gòu)組成

為實現(xiàn)天線俯仰面在低仰角區(qū)域內(nèi)方向圖賦形要求,使方向圖俯仰0°～40°波束范圍內(nèi)有較高的增益,選用印刷偶極子天線作為天線輻射單元。4個印刷偶極子單元垂直排布在印制板上,采用遺傳算法實現(xiàn)陣列方向圖優(yōu)化。首先建立數(shù)學(xué)模型,將初始仿真的陣列單元方向圖代入數(shù)學(xué)模型,通過遺傳算法的不斷迭代,數(shù)學(xué)模型收斂到某一組解,將該組解代入電磁仿真軟件高頻結(jié)構(gòu)仿真(HFSS)模型中進(jìn)行仿真計算。如果計算結(jié)構(gòu)滿足要求,則退出優(yōu)化,反之則繼續(xù)優(yōu)化過程。程序優(yōu)化界面如圖2所示。

圖2 優(yōu)化程序界面

由于印刷偶極子波束寬度的限制,每組賦形子陣列只能覆蓋方位面120°左右的區(qū)域。選用4組子陣?yán)@中心均勻旋轉(zhuǎn)的排布來實現(xiàn)方位面全向波束覆蓋需求,4組子陣分別垂直安裝在方形安裝支架一側(cè),如圖1(b)所示。通過4根等長度射頻電纜分別與一分四功分器4路出口連接,合成1路饋電,圖1(c)為功分器外形尺寸圖。為滿足天線大功率的需求,加工印制板時適當(dāng)增加基板表面覆銅厚度至0.1 mm,使輻射印制板能夠承受更大的功率容量。設(shè)計的圓柱型天線罩對天線內(nèi)部器件起屏蔽和保護(hù)作用。

根據(jù)仿真設(shè)計結(jié)果加工了天線實物,如圖3(a)所示,不含避雷針天線外形尺寸為258 mm×700 mm。表1給出了部分關(guān)鍵尺寸。

圖3 天線實物照片

表1 天線尺寸(mm)

2 仿真和實測結(jié)果

在工作頻段1.41～1.46 GHz內(nèi),仿真和實測的電壓駐波比(VSWR)如圖4所示。可以看出,仿真結(jié)果和實測結(jié)果基本吻合,整體略好于實測結(jié)果。這些差異主要是由于制造、裝配和測量誤差造成的。仿真時,天線模型是處于理想狀態(tài)下,與實際裝配完成的實物會有差異,也造成仿真結(jié)果與實測結(jié)果不符。圖4表明,在工作頻帶內(nèi),仿真和實測的電壓駐波比均小于1.3。

圖4 VSWR 的仿真與實測對比圖

天線在中心頻率1.435 GHz處的歸一化輻射方向圖如圖5所示。從圖5(a)可以看出,天線在俯仰面0°～40°(圖5(a)中50°～90°區(qū)域)范圍內(nèi)實現(xiàn)了方向圖波束賦形,彌補了俯仰組陣后的方向圖零點,天線增益隨著俯仰角度的增加逐漸平緩降低,俯仰角0°、5°、15°、30°和40°增益分別為5.2 dB、5.8 d B、0.5 dB、-7.5 d B和-10.2 d B。由圖5(c)可以看出,該天線水平面輻射方向圖呈圓形,不圓度小于2 dB,能夠?qū)崿F(xiàn)方向圖水平全向輻射。

圖5 天線輻射方向圖的仿真與實測對比圖(F=1.435 GHz)

3 結(jié)束語

本文提出了一種具有雷電防護(hù)功能的大功率高增益垂直極化全向賦形天線。天線采用印刷偶極子天線作為天線單元進(jìn)行賦形設(shè)計,通過遺傳算法優(yōu)化陣元激勵幅度和相位進(jìn)行饋電,4組陣列360°均勻分布實現(xiàn)方向圖全向覆蓋。根據(jù)仿真結(jié)果加工了天線實物并進(jìn)行測量,測試結(jié)果與仿真結(jié)果吻合良好。測試結(jié)果表明,該天線實現(xiàn)了垂直方向波束賦形,方向圖覆蓋水平360°,水平面增益大于5 d B,在俯仰0°～40°范圍內(nèi),增益隨著俯仰角度增加逐漸平緩降低,適用于地面站通信系統(tǒng)。