高增益全向同軸CTS天線設計

趙春銳 陳星

四川大學電子信息學院，四川成都 610000

0 前言

在諸多通信領域，包括無線電視廣播、星載衛(wèi)星通信、地面移動通信系統(tǒng)、室內終端互聯(lián)等場合[1]，為了實現(xiàn)信號在水平方向的大范圍全面覆蓋，除了需要提高發(fā)射總功率，還需要使用高增益的全向天線。

為了實現(xiàn)高增益，傳統(tǒng)的全向天線一般采用微帶或同軸共線COCO（Coaxial Colinear）等形式[2]。文獻[3-6]中，微帶天線形式雖然容易通過增加輻射陣元的數(shù)量來提高天線增益，但是由于天線自身的物理結構為扁平狀的介質印刷基板，并非旋轉對稱的結構，所以實現(xiàn)低不圓度方向圖要相對困難一些，并且，當天線輻射單元增加到比較多時，天線整體的形狀為比較薄的細長條狀，且由于介質基板的硬度不像金屬硬度那么高，容易發(fā)生彎曲變形。而對于文獻[7-8]中的COCO天線，一般被應用在高頻或甚高頻的頻段。對于頻率更高的頻段，比如本文的5.8 GHz頻段，此時由于頻率的升高，天線的尺寸也隨之變得比較小，出于對加工精確度的誤差要求，普通的傳統(tǒng)機械加工較難取得一致性，很難實現(xiàn)低成本的大規(guī)模批量生產。

20世紀90年代初，平面波導CTS天線被發(fā)明[9-10]，這種平面CTS天線通過在平板波導上開一系列的橫向縫隙，并在開縫處增加矩形金屬輻射枝節(jié)實現(xiàn)電磁波的輻射，通過增加橫向縫隙的數(shù)量，可有效地提高天線的增益。但這種平面波導CTS天線的輻射方向圖并非是全向的，而是定向天線。本文將CTS技術應用于同軸線上，設計了一支具有較高增益、饋電結構簡單且易于調諧的，工作于5.8 GHz的水平全向輻射天線。該天線在結構上具有加工簡單，牢固性好且制造成本低廉的優(yōu)點。在性能上，具有良好的阻抗帶寬和全向輻射特性，并能在水平面達到較高的增益，且魯棒性良好。

1 同軸CTS天線結構及仿真分析

圖1是同軸CTS天線的縱截面和三維示意圖，天線由多個CTS輻射單元級聯(lián)組成，并在輸入端和終端對單元長度進行了改變，以更好地進行阻抗匹配，且天線終端短路。CTS單元的兩端為同軸線結構，同軸線外導體中間截斷開縫，內導體裸露作為輻射源，電流在內導體上流動，所以天線極化方向應與內導體方向一致。使用該天線時，應使其豎立起來，所以天線為垂直極化，并在截斷處加載金屬圓盤，同軸線填充介質為空氣，天線是全金屬結構。

其中，a值為1.00 mm、b值 為2.50 mm、R值為20.00 mm、Ds值為27.75 mm、Dt值為49.75 mm、De值為10.00 mm、Df值為8.00 mm、n值為7。

圓盤具有減小單元間耦合的作用，同時影響天線的阻抗匹配。在同軸線內傳輸?shù)腡EM模電磁波遇到截斷處的金屬圓盤橫向枝節(jié)向TM0m模過渡，并在端口因不連續(xù)性而產生向自由空間的輻射。根據(jù)同軸線特性阻抗計算公式（1），此時的同軸線阻抗為54 Ω。天線的工作頻率由輻射縫隙的間距決定，根據(jù)工程經(jīng)驗，縫隙間距Dt要略小于波長51.72 mm，同時，縫隙的寬度Ds約為二分之一波長時可以得到最小的反射損耗[11]。

其中，a、b——同軸線內外導體半徑；

εr——填充介質的相對介電常數(shù)。

首先對單個同軸CTS單元進行仿真分析，同軸CTS單元如圖2所示，對于單個同軸CTS單元，能量從同軸線一段饋入，一部分能量由于阻抗失配反射回來，一部分能量通過輻射縫隙進行，其余部分能量則傳輸至下一端口。同軸CTS單元是一個二端口網(wǎng)絡，設置兩個端口阻抗均為50 Ω，在給定單元總長度Dt為49.75 mm、圓盤半徑R為20 mm的情況下，對不同縫隙寬度Ds情況下的|S11|進行仿真，結果如圖3所示。

由圖3可知，在其他參數(shù)不變的情況下，縫隙寬度Ds影響諧振頻率，Ds增大時諧振頻率上升；Ds減小時則諧振頻率下降，所以選取Ds值為27.75 mm，以獲得5.8 GHz頻率下最小的反射損耗，此時的縫隙寬度略大于二分之一波長，同軸CTS單元的輻射效率η如圖4所示，為21.4%。

從圖1的縱截面來看，橫截線（即金屬圓盤）部分可以視作一段傳輸線，根據(jù)傳輸線理論[12]，天線性能與圓盤半徑R緊密聯(lián)系。輻射縫隙部分場的模式變化受圓盤半徑的影響如圖5所示?？梢钥闯?，天線增益隨圓盤半徑R近似于周期性變化，且變化周期大概是二分之一個波長，這與傳輸線阻抗的二分之一波長周期相吻合，所以選取圓盤半徑大小為在第一個極大值點出現(xiàn)的附近，即R值為20 mm。

如果近似認為每個CTS單元的輻射效率η相等，均為21.4%，則總輻射效率ηt與n的關系可以表示為：

其中，η——CTS單元的輻射效率；

n——CTS單元的個數(shù)。

該表達式的圖像如圖6所示。

根據(jù)圖6，n為7時，總效率ηt已經(jīng)可以達到85.4%，且單元數(shù)超過7之后，效率增長速率緩慢，故暫將同軸CTS天線單元數(shù)n確定為7，為了使阻抗匹配良好，終端采用短路形式。對終端短路枝節(jié)的長度Df進行了仿真分析，如圖7所示。可以看出，終端短路枝節(jié)的長度影響著天線的阻抗匹配，根據(jù)仿真結果，選取Df值為8 mm較為合適，此時天線的諧振頻率恰好為5.8 GHz，且在該頻點下的|S11|為-29 dB。

同軸CTS天線終端短路，本質上是串饋行波天線，天線增益與單元個數(shù)相關，但各單元輻射能量自輸入端到終端遞減，當單元數(shù)提高至一定數(shù)量后再繼續(xù)增加單元，冗余的單元幾乎不再參與能量輻射，對天線增益提高的貢獻很小，并且過多的單元數(shù)會使得天線過于細長，很容易產生形變。從圖8和圖9中可以看出，天線增益隨單元數(shù)的增加而提升，但當單元數(shù)為8時，增益提升效果減弱，并且天線的|S11|開始變差，這是由于改變了單元數(shù)導致天線阻抗變化，可以通過改變終端短路枝節(jié)長度Df等參數(shù)進行調節(jié)，并且，天線總單元數(shù)過多會導致天線的總長度過長。出于對天線結構的穩(wěn)定性和增加單元的輻射效率兩方面綜合考慮，選取單元數(shù)為7是比較合適的，此時的天線總長度為39.4 cm。

2 測試結果及分析

對上述設計的7單元級聯(lián)同軸CTS天線進行了加工。為了固定天線，在實物上增加了一些固定件，包括若干個聚甲基丙烯酰亞胺（polymethacrylimide，PMI）泡沫和尼龍螺柱，其中泡沫用于固定同軸線內導體，尼龍柱用于控制和定位CTS單元的間距，仿真驗證表明，這些固定件對天線的性能影響很小。加工的天線實物圖如圖10所示。

使用安捷倫N5230A矢量網(wǎng)絡分析儀對天線的|S11|進行測試，并在微波暗室中進行了天線的方向圖測試。圖11為天線的|S11|仿真與測試對比圖。從圖中可以看出，實測|S11|曲線相對于仿真向左偏移，但在5.8 GHz仍低于-20 dB。

圖12為天線的遠場H面與E面方向圖仿真與測試結果對比：仿真增益為11.1 dBi，實測增益12.1 dBi；仿真垂直面3 dB波束寬度為6.3°，實測值7.8°，實測最大不圓度為±1.3 dB。主要原因是加工和裝配時導致天線出現(xiàn)了變形，天線具有一定不圓度，也導致了實測增益值略高于仿真增益。

3 結束語

本文設計了一種具有較高增益的同軸CTS陣列天線，有7個輻射單元。在水平面提供非常好的全向輻射方向圖，增益高達12.1 dBi，并且沒有波束傾斜，由于加工誤差使得最大不圓度為±1.3 dB。此外，天線輸入阻抗為50 Ω，實測|S11|＜-10 dB的阻抗帶寬為6.2%（5.61～5.97 GHz），與仿真結果吻合良好。同時，該天線具有結構簡單、加工制造成本低的優(yōu)點。這些特性使該天線成為無線通信系統(tǒng)（包括本地和中心基站）的一種良好選擇。