基于零阶谐振器的低剖面宽带锥状波束微带天线研究

曾砾堂，石 磊，柴建宁，张君鹏，杨登泰，彭 麟

（1.中国人民解放军93119部队，甘肃 酒泉 735000；
2.桂林电子科技大学，广西 桂林 541004）

锥状波束天线与一般定向天线（如笔状波束天线）的方向图最大不同在于其波束在孔径的法线方向上为零点，因此其最大辐射方向与法线成一定倾角，并且波束具有圆周对称性。锥状波束天线的辐射特性使其获得广泛的应用，如弹载数据链、近炸引信、地面卫星通信终端、移动通信以及无线局域网通信等系统。

为实现锥状波束，众专家学者提出很多的设计方法。文献[1]采用背部馈电的微带形式和金属过孔实现锥状波束，并应用混合拓扑优化算法实现最优化，天线带宽约7.8%，最大增益为7.8 dBi。文献[2]通过在中心馈电的正方形贴片天线的对角线上对称引入4个金属化通孔实现锥状波束，该天线的带宽达到17.8%，最大增益为6.6 dBi。文献[3]为使容性加载的单极子设计实现锥状波束，使用较大的地板反射面，天线带宽约为9.9%，最大增益约7.49 dBi。文献[4]使用中心馈电的贴片天线和8个被缝隙围绕的短路销钉实现锥状波束，天线带宽约为19.4%，且该天线适用于有极大地板的环境。文献[5]结合渐变型单圆锥、弯折短路金属柱、锥型金属腔和同轴馈电结构等实现锥状波束，虽然天线的阻抗带宽达到118.5%，但是其结构复杂，加工难度较大。文献[6]通过在方形空气腔上加工4个L形缝隙实现锥状波束，天线带宽约2.17%，最大增益为3.21 dBi。文献[7]将倒F天线组成阵列实现锥状波束，天线带宽约11.2%，最大增益达到12.7 dBi。文献[8]将多个微带准八木天线组成阵列，并将该阵列与弹体曲面共形，从而获得锥状波束，天线的带宽约为12.2%，最大增益为2.8 dBi。文献[9]利用传输阵列来调节喇叭天线的口面相位，从而在12.5 GHz的设计频率下实现锥状波束，天线的增益为9 dBi。

基于以上研究，文章提出新型中心馈电圆形贴片锥状波束天线，通过加载零阶谐振器达到展宽带宽的目的。该天线制作在厚度为0.508 mm、相对介电常数为2.2的Rogers 5880基板上。介质基板的正面是一个中心馈电的圆形贴片，背面是金属地板，通过4个金属过孔将圆形贴片与金属地板相连，以减小天线的面积。为避免天线带宽因天线面积减小而降低，将4个零阶谐振器加载到圆形贴片上。由于4个零阶谐振器嵌入圆形贴片内部，天线的尺寸并没有增加，但是天线的带宽由4.86%增加到12.8%。该天线具有良好的锥状波束特性，而且在频段内的辐射特性十分稳定。

文章所设计的锥状波束天线具有结构简单、尺寸小、带宽大等优点。为突出该天线的优点，图1展示了天线的结构及演变。其中，天线1为典型中心馈电圆形贴片锥状波束天线，天线2为基于短路销钉的中心馈电圆形贴片锥状波束天线，天线3为所提出的零阶谐振器加载的锥状波束天线。这3个天线均制作在相对介电常数为2.2、厚度为0.508 mm的介质基板上，而且皆工作在K波段。图1中，天线1的辐射贴片为圆形，贴片直径达到11.8 mm；
天线2在天线1的基础上加载4个短路销钉，从而将贴片直径减小到5.5 mm；
天线3在天线2的基础上加载4个零阶谐振器，由于零阶谐振器被加载到圆形贴片的内部，天线的尺寸变化不大，直径为5.9 mm。但是，零阶谐振器会引入1个新的谐振，从而展宽天线的带宽。

图1 天线结构及演变示意图

天线1、天线2和天线3的阻抗匹配曲线如图2所示。由图2可知，采用中心馈电圆形贴片的天线1谐振为22.8 GHz，其-10 dB阻抗带宽为1 100 MHz。虽然与天线1相比，天线2的直径从11.8 mm减小到5.5 mm，但是其谐振频率并没有升高，反而降低到了22.1 GHz。天线2的-10 dB阻抗带宽为1 300 MHz，可见采用4个短路销钉加载的天线2不但比天线1尺寸大大减小，其阻抗带宽也有所增加。加载到天线3的零阶谐振器使天线增加1个新的谐振，其带宽也大大增加。天线3的两个谐振频点分别为21.5 GHz和23.4 GHz，其-10 dB阻抗带宽为2 900 MHz。相比天线2，在天线直径几乎不变的条件下，零阶谐振器的加载大大展宽了天线的带宽。3个天线的主要阻抗特性如表1所示。

表1 天线的主要阻抗匹配特性

图2 天线1～3的阻抗匹配曲线

从表1可知，通过使用短路销钉，天线2的尺寸远小于天线1，而且阻抗带宽也由天线1的4.86%提高到5.87%。对于天线3，通过增加零阶谐振器，其相比天线1和天线2增加了1个谐振点，形成双谐振，从而将天线的带宽增加到12.8%。可见，相比于天线1和天线2，天线3在尺寸和带宽上都有很大的优势。

图3为天线3在两个谐振频点的辐射方向图。由图3可知，天线3具有良好的锥状波束特性，其在21.5 GHz和23.4 GHz的E面方向图形状十分相似，最大辐射方向都指向36°，最大增益约为5 dBi，在21.5 GHz和23.4 GHz的H面方向图的圆度特性良好。可见，它不仅具有良好的锥状波束特性，而且在频段内方向图稳定性良好。

图3 天线3的方向图

文章提出一种新型的宽带锥状波束天线，通过加载零阶谐振器，有效拓展天线的带宽，且使天线在整个频段内具有优良的锥状波速特性。零阶谐振器和短路销钉的适用大大减小了天线的尺寸，并具有地剖面特性，剖面仅为0.508 mm。这种天线结构可以应用于卫星通信终端和飞机等需要风阻较低的平台。

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