一种圆柱波导缝隙全向天线的设计

喻 盛

（中国电子科技集团公司第20研究所 陕西 西安 710068）

0 概述

微波全向天线广泛地应用于军事、航天、遥控、遥测领域。全向天线通常是指天线的方向图在水平面内是一个无方向性的圆，即方向性系数为1的天线。全向天线的极化形式有水平极化、垂直极化和圆极化。垂直极化近似电偶极子的辐射，水平极化近似磁偶极子的辐射。通常垂直极化全向天线的实现较容易，有单极天线、偶极子、双锥天线、波导缝隙天线、同轴交叉馈电（co-co）天线等形式。由于磁偶极子并不存在，所以水平极化全向天线需要靠组阵来实现，常见的形式有圆柱缝隙阵 、圆柱微带阵、旋转场天线、波导隙缝天线、Alford环等多种形式。本文介绍一种在圆柱波导上开槽的水平极化全向天线，具有低损耗、免馈电网络的优点，实现了±0.6dB的不圆度。

1 天线设计与分析

圆柱波导上开槽的水平极化全向天线是一种方位不圆度较好、结构紧凑的阵列天线。与其它形式的天线相比，该天线能够根据不同的俯仰波束宽度要求，通过适当的增加天线的阵元数，而不用增加额外的馈电网络，极大的简化了天线的设计。

圆柱体上的缝隙阵阵元位置如图1所示。其中a为圆柱形空腔内半径，d0为第一个缝中心与地板的间距，d为纵向缝隙的间距。每个缝隙的位置用（i'，i）表示，i'表示缝隙沿圆周方向的位置。因为平面内缝隙为均匀分布的圆环阵,阵中缝隙个数为s，所以其方位角为φi'=2πi/s0。i表示缝在纵向的位置,因为缝隙的纵向间距相同,所以其纵坐标为z=id。由于要满足边界条件，缝隙的辐射场与其所在的波导情况有关。在z=0平面上时i=1，用（i'，l）表示长度为l近似为半波长的单个纵向缝隙。

图1 隙缝阵阵元位置示意图

缝隙上的电场分布为：

式（5）是圆柱体上位于z=0平面上的单个半波长纵向缝隙的辐射场，对于任意平面上的缝隙为：

由式（6）单个缝隙场的叠加，可以得到整个环形缝隙天线阵的方向图：

在天线阵中，一般选择d=λg/2，λg为设计中心频率的波导波长，Vi为缝隙中心的电场。

2 天线性能

经过设计分析，使用Ansoft HFSS软件进行仿真和优化，最后天线的各项参数设置为：圆柱形空腔的内径2a≈λ0，单元缝纵向间距d为0.78λ0，横向缝隙在圆周上数量s为7，销钉直径为1.5mm，销钉长度为λ0/4，缝隙宽度为2mm，缝隙长度为 λ0/2，缝隙中心与地板间距 d0为 1.56λ0，壁厚为 0.4mm。天线的模型和实物如图2、图3所示：

图2 天线模型图

图3 天线实物图

通过加工试验，天线的驻波和方向图如下图4、图5、图6所示：

图4 天线的驻波

图5 方位面方向图

图6 俯仰面方向图

由于该天线是使用探针对缝隙进行空间馈电，所以圆周上的缝隙处的电场幅度和相位均相等。为了有效的形成全向性方向图，需在每个缝隙的旁边附加一个耦合销钉，该销钉的长度约为λ0/4。通过销钉的耦合，能有效的产生一个方位面全向的方向图。为了提高天线的不圆度，销钉的位置在纵向上交错布置，即第一行销钉在缝隙的左边，第二行销钉在缝隙的右边。试验表明，这种分布能极大的提高天线的不圆度。本设计纵向缝隙单元数为2，横向圆周缝隙均匀分布7个，单元间距0.78λ0。通过仿真分析，可以发现销钉的位置和长度对天线的驻波、方位面不圆度有较大的影响。销钉偏离缝隙中心越远，则天线的不圆度越差，而且驻波变大，带宽变窄。圆周上缝隙单元数以7个时天线的不圆度最佳。单元数过少时不圆度较差，过多时变化不大，同时还会导致加工更复杂。而馈电探针的长度直接影响天线的谐振频率。在随后的加工试验中发现，销钉的向心性对天线的不圆度也有较大的影响。当销钉的指向偏离中心线和缝隙时，天线的不圆度恶化相对较小；当销钉的指向偏离中心线并靠近缝隙中心时，天线的不圆度恶化非常迅速。所以，在焊接销钉时，需要使用工装来保证所有销钉的向心性。

通过加工试验，仿真结果与实测结果比较吻合。天线方位面不圆度为±0.6dB，天线增益为7.08dB。较好的实现了水平极化天线的全向性。

［1］J R Wait.Electromagnetic Radiation from Cylindrical Structures[J].New York:Pergamon,1959.

［2］R F Hamngton.Field Computation by Moment Methods[J].New York:Macmillan,1968.

［3］R S Elliott.An improved design procedure for small arrays of slots[J].IEEE Trans.AP,1983.