一種圓柱波導縫隙全向天線的設計

喻 盛

（中國電子科技集團公司第20研究所 陜西 西安 710068）

0 概述

微波全向天線廣泛地應用于軍事、航天、遙控、遙測領域。全向天線通常是指天線的方向圖在水平面內是一個無方向性的圓，即方向性系數為1的天線。全向天線的極化形式有水平極化、垂直極化和圓極化。垂直極化近似電偶極子的輻射，水平極化近似磁偶極子的輻射。通常垂直極化全向天線的實現較容易，有單極天線、偶極子、雙錐天線、波導縫隙天線、同軸交叉饋電（co-co）天線等形式。由于磁偶極子并不存在，所以水平極化全向天線需要靠組陣來實現，常見的形式有圓柱縫隙陣 、圓柱微帶陣、旋轉場天線、波導隙縫天線、Alford環等多種形式。本文介紹一種在圓柱波導上開槽的水平極化全向天線，具有低損耗、免饋電網絡的優點，實現了±0.6dB的不圓度。

1 天線設計與分析

圓柱波導上開槽的水平極化全向天線是一種方位不圓度較好、結構緊湊的陣列天線。與其它形式的天線相比，該天線能夠根據不同的俯仰波束寬度要求，通過適當的增加天線的陣元數，而不用增加額外的饋電網絡，極大的簡化了天線的設計。

圓柱體上的縫隙陣陣元位置如圖1所示。其中a為圓柱形空腔內半徑，d0為第一個縫中心與地板的間距，d為縱向縫隙的間距。每個縫隙的位置用（i'，i）表示，i'表示縫隙沿圓周方向的位置。因為平面內縫隙為均勻分布的圓環陣,陣中縫隙個數為s，所以其方位角為φi'=2πi/s0。i表示縫在縱向的位置,因為縫隙的縱向間距相同,所以其縱坐標為z=id。由于要滿足邊界條件，縫隙的輻射場與其所在的波導情況有關。在z=0平面上時i=1，用（i'，l）表示長度為l近似為半波長的單個縱向縫隙。

圖1 隙縫陣陣元位置示意圖

縫隙上的電場分布為：

式（5）是圓柱體上位于z=0平面上的單個半波長縱向縫隙的輻射場，對于任意平面上的縫隙為：

由式（6）單個縫隙場的疊加，可以得到整個環形縫隙天線陣的方向圖：

在天線陣中，一般選擇d=λg/2，λg為設計中心頻率的波導波長，Vi為縫隙中心的電場。

2 天線性能

經過設計分析，使用Ansoft HFSS軟件進行仿真和優化，最后天線的各項參數設置為：圓柱形空腔的內徑2a≈λ0，單元縫縱向間距d為0.78λ0，橫向縫隙在圓周上數量s為7，銷釘直徑為1.5mm，銷釘長度為λ0/4，縫隙寬度為2mm，縫隙長度為 λ0/2，縫隙中心與地板間距 d0為 1.56λ0，壁厚為 0.4mm。天線的模型和實物如圖2、圖3所示：

圖2 天線模型圖

圖3 天線實物圖

通過加工試驗，天線的駐波和方向圖如下圖4、圖5、圖6所示：

圖4 天線的駐波

圖5 方位面方向圖

圖6 俯仰面方向圖

由于該天線是使用探針對縫隙進行空間饋電，所以圓周上的縫隙處的電場幅度和相位均相等。為了有效的形成全向性方向圖，需在每個縫隙的旁邊附加一個耦合銷釘，該銷釘的長度約為λ0/4。通過銷釘的耦合，能有效的產生一個方位面全向的方向圖。為了提高天線的不圓度，銷釘的位置在縱向上交錯布置，即第一行銷釘在縫隙的左邊，第二行銷釘在縫隙的右邊。試驗表明，這種分布能極大的提高天線的不圓度。本設計縱向縫隙單元數為2，橫向圓周縫隙均勻分布7個，單元間距0.78λ0。通過仿真分析，可以發現銷釘的位置和長度對天線的駐波、方位面不圓度有較大的影響。銷釘偏離縫隙中心越遠，則天線的不圓度越差，而且駐波變大，帶寬變窄。圓周上縫隙單元數以7個時天線的不圓度最佳。單元數過少時不圓度較差，過多時變化不大，同時還會導致加工更復雜。而饋電探針的長度直接影響天線的諧振頻率。在隨后的加工試驗中發現，銷釘的向心性對天線的不圓度也有較大的影響。當銷釘的指向偏離中心線和縫隙時，天線的不圓度惡化相對較??；當銷釘的指向偏離中心線并靠近縫隙中心時，天線的不圓度惡化非常迅速。所以，在焊接銷釘時，需要使用工裝來保證所有銷釘的向心性。

通過加工試驗，仿真結果與實測結果比較吻合。天線方位面不圓度為±0.6dB，天線增益為7.08dB。較好的實現了水平極化天線的全向性。

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