圆极化全向天线技术概要.docx

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圆极化全向天线技术概要

圆极化全向天线技术

胥亚东，阮成礼

电子科技大学物理电子学院，成都（610054）

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摘要：

圆极化全向天线由于其自身性能特点，在现代的无线应用中，越来越受到广泛的关注。

本文主要归纳总结了圆极化全向天线的研究进展，探讨了圆极化全向天线的各种实现方法，及其中的各个关键问题，并讨论了各种方案具体设计方案、影响因素、过程原理，及其优劣性，在此基础上，对圆极化全向天线的研究发展趋势提出了展望。

关键词：

圆极化天线，全向天线

中图分类号：

TN820.1+1

1．引言

天线的极化作为天线性能的一个重要参数，是指在一个发射天线辐射时，其最大辐射方向上，随着时间变化电场矢量（端点）在空间描出的轨迹。

天线的极化形式分为线极化，圆极化和椭圆极化三种。

线极化和圆极化是椭圆极化的特例。

圆极化又分为正交的左旋和右旋圆极化。

椭圆极化波可分解为两个旋向相反的圆极化波[1]。

随着科学技术和社会的不断发展，对天线的性能要求也越来越高，在现代的无线应用系统中，普通的线极化天线已很难满足人们的需求，圆极化天线的应用越来越广泛，其主要特点主要体现在以下几个方面[2-4]：

1.圆极化天线可接收任意极化的来波，且其辐射波也可由任意极化天线收到；2.圆极化天线具有旋向正交性；3.极化波入射到对称目标（如平面、球面等）时旋向逆转，不同旋向的电磁波具有较大数值的极化隔离。

由于圆极化天线具有以上特点，因此，被广泛使用在通信、雷达、电子侦察与电子干扰等各个方面，研究圆极化天线具有巨大的社会效益、经济效益和军事效益。

任意圆极化波可分解为两个在空间、时间上均正交的等幅线极化波，由此得到实现圆极化天线的基本原理：

即产生两个空间正交的线极化电场分量并使二者振幅相等（即简并模），相位差90°[5]。

尽管圆极化天线形式各异，但产生机理万变不离其宗。

反映在史密斯圆图中，两简并模的恰当分离对应阻抗曲线出现一个尖端（cusp）。

圆极化天线的基本电参数是最大增益方向上的轴比，即任意极化波的极化椭圆长轴（2A）与短轴（2B）之比[6]：

⎛A⎞AR=20lgr=20lg⎜⎟

⎝B⎠

纯圆极化波的轴比为0dB。

轴比不大于3dB的带宽定义为天线的圆极化带宽。

轴比将决定天线的极化效率。

表征天线极化纯度的交叉极化鉴别率也可由轴比得出。

在很多实际应用中，要求圆极化天线具有全向辐射的特性，这使得这类圆极化全向天线的设计与普通的圆极化天线的设计既有共性，又有很大的差别。

目前有很多致力于全向圆极化天线实现方面的研究，方法也有很多，但从其原理上来看，归结起来主要是以下两种[7]：

1.采用多个圆极化天线单元的排列组合，每个圆极化天线单元覆盖一定的方位角，这样多个单元通过一定的方式组合起来，实现全向的圆极化。

2.采用具有全向辐射特性的天线，通过馈入圆极化波或其他方式，实现天线的全向圆极化。

下面我们主要对这两种方案的具体设计，原理及关键技术进行进一步的探讨。

-1-

2.全向圆极化天线的设计

2.1多单元圆极化天线组合

如上所述，实现圆极化全向天线的第一种方法既是采用多个圆极化天线单元的排列组合，每个圆极化天线单元覆盖一定的方位角，实现全向的圆极化。

这种方法的主要步骤是首先设计出符合要求的圆极化天线单元，再通过科学的排列，馈线的设计，将单个的圆极化天线单元组合起来。

2.1.1圆极化天线单元的设计

圆极化天线单元多使用微带贴片天线，也有利用圆极化波产生原理[5]，利用对称振子等在一定方位角上产生圆极化波。

这里我们主要介绍一下微带圆极化天线的设计。

微带天线圆极化方法主要有切角、准方形、近圆形、近等边三角形、表面开槽、正交双馈、曲线微带型、行波阵圆极化节等等，就其原理我们可以将它们大致分为三类[6]：

1．单馈法[8-10]：

基于空腔模型理论，利用简并模分离元产生两个辐射正交极化的简并模工作。

这种方法的关键在于确定几何微扰，即选择简并模分离元的大小和位置以及恰当的馈点。

这种天线结构简单，成本低，但带宽窄，极化性能比较差。

2．多馈法[11-12]：

采用T形分支或3dB电桥等馈电网络，利用多个馈点馈电微带天线，由馈电网络保证圆极化工作条件。

这种形式的天线，驻波比带宽及圆极化带宽较好，抑制交叉极化，轴比好，但馈电网络较复杂，成本较高，尺寸较大

3．多元法[13-15]：

使用多个线极化辐射元，原理与多馈点法相似，只是将每一馈点都分别对一个线极化辐射元馈电。

有并馈或串馈方式的各种多元组合，可看作天线阵。

具有多馈法的优点，而馈电网络较为简化增益高。

但结构复杂，成本较高，尺寸大。

以上是一些实现微带圆极化天线的的原理和方法，其他如使用对称振子的方法实现圆极化在实际设计中也有使用[16]。

在设计中最重要的问题是设计单个天线单元时，要联系到全向的指标。

如采用N个单元，则单个天线的3dB波束宽度应大于360°/N，这样组合过后才能有较好的全向圆极化效果。

2.1.2实现圆极化天线的全向性

在设计好圆极化天线单元后，就是通过适当的方式，将各个单元天线组合起来，实现全向性。

一般来说，都是设计出适当的馈电网络（一般都为并馈），将各个单元圆极化天线组合起来。

现在较常见的方法是将多个圆极化天线贴片包裹在介质圆柱外表面,如图1、图2所示

[17]。

图18单元圆极化天线贴片（展开图）图2实际天线

这类方法是最为常见的实现全向圆极化天线的方案，很多全向圆极化天线的形状各不相同，但究其原理都是这样的。

[18-19]

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图3对称振子全向圆极化天线结构图4V型振子阵列天线

前文也提过，利用对称振子也能产生圆极化波[3]。

文献中，采用倾斜振子天线可以形成全向圆极化的方向图，其增益约为2dBi。

倾斜振子天线由四个倾斜放置的半波振子组成，四个振子围成立方体其结构示意图如图3所示。

其制作方法是:

用敷铜板腐蚀出天线的振子，四个相同的板子围成立方体，这种结构便于制作，而且重量轻，适合于机载。

四个振子通过功分器等幅同相馈电。

在理想情况下，倾斜振子天线的方向图在H面（即方位面）是一个圆，在E面（俯仰面）是一个规则的“∞”字形。

也有文献[20]介绍了利用V型振子实现全向圆极化，如图4所示。

如前所述，圆极化波可山两个相互垂直的线极化波合成。

所以，可以利用两个相互垂直且相距λ/4的对称振子构成一个基木振子阵。

在水平方向其远区场电场幅度相同、相位差90°。

相反方向圆极化波具有相同的旋向。

同时在90°方向上还需要一个基木振子阵。

以满足全向辐射的要求。

天线馈电装置采用并馈结构。

在每个振子馈电点上输入电压的振幅和相位保持一致。

由于使用了V型对称振子，可以在整个方向上均保持良好的全向辐射与圆极化轴比特性。

2.1.3优点与缺点

这类实现全向圆极化天线的方法，具有结构简单，成本较低，设计方便等优点，在全向圆极化天线的设计中，经常选用。

但是，这类方法也有其自身的缺陷。

利用微带贴片天线单元的时候，在设计单元天线时一般都是考虑成平面天线进行设计，在与非平面介质体（如圆柱体，球型等）共形时，天线的性能会发生一定的改变，且利用微带天线实现全向圆极化的带宽一般都比较窄。

最主要的是，这类天线一般都只适用于天线工作频率不高的情况下，在天线工作频率增高，工作波长很小，天线尺寸与波长可比拟，也变的很小，由于受加工精度等工艺条件的限制，不利于制作出符合要求的全向圆极化天线。

2.2全向天线实现圆极化

第二种设计全向圆极化天线的方法即是使用具有全向辐射特性的天线，通过馈入圆极化波或者其他手段，如寄生单元、透镜等，实现全向圆极化的方向图。

2.2.1利用圆极化器直接馈入圆极化波

最简单直接的实现方法就是运用圆极化器将线极化波转换成圆极化波，然后馈入具有全向辐射特性的天线。

在这种设计中，一般采用的都是锥天线[21]，结构简单，易于设计制造。

这种方案的关键则在于圆极化器的设计和波导（圆极化器）到其他传输线（天线馈线）的连接转化。

目前研究的圆极化器大多都是利用矩形波导或者圆波导制成，一般分为两种：

一是双输入的，即圆极化器的输入端用隔片等分成两个输入口，分别输入振幅相等，相位差90°的线极化波，然后在极化器的另一段合成圆极化波并输出，如图5所示[22-24]：

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图5各种双输入圆极化器

另一种则是单输入口的圆极化器，从输入端输入一个线极化波，将其分离为垂直分量和水平分量，再通过移相，使这两个线极化分量产生90°的相位差，最后在极化器输出口合成圆极化波，如图6所示[25-28]：

（a）耦合槽圆极化器（b）椭圆虹膜圆极化器

（c）介质隔片圆极化器（d）销钉圆极化器

图6各种单输入圆极化器

关于圆极化器的研究很多，制成的圆极化器效果也相当不错，在工作频段内，反射很小，轴比一般都能做到0.5dB以下。

在设计选择好适当的圆极化器之后，再将圆极化波馈

入圆锥天线，就可以实现全向的圆极化辐射了，如图7所

示[29]。

由于圆锥天线具有超宽带的特性，因此这种形式的全

向圆极化天线比下文提到的利用极子天线制成的全向圆

极化天线适应更高的工作频率。

图7圆锥天线

2.2.2极子全向圆极化天线

利用极子天线的全向性也能实现全向圆极化辐射的方向图。

如图8所示[30]，在一个垂直的极子天线外，加上圆柱体形寄生单元，寄生单元与极子天线同轴，距离大概为四分之一个波长，成45°。

由垂直极子辐射出来的线极化波被寄生单元分为两个正交电场，在远场合成圆极化波，其物理原型相当于一对正交的偶极子天线。

文献中指出，寄生单元的长度L=0.425λ时，天线的圆极化性能最好，达到2dB左右。

这种天线还能进一步进行改进，如图9所示[31]，用上述天线做为馈源，外面加上一个光学透镜。

透镜的内表面设计由馈源位置确定，

同过调焦使得透镜内表面曲线焦点处于馈源

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的位置。

全向圆极化波在到达透镜外表面时，其波阵面与外表面一致，这样，波束被聚集，在水平面上辐射能量更为集中。

天线性能较之前[30]更好。

图8加寄生单元的极子天线图9环形透镜天线

利用极子天线实现全向圆极化也有同对称振子阵一样的问题，那就是这种形式的天线在频率过高时，会由于天线尺寸的减小，工艺精度限制而导致天线的加工制作困难，难以达到设计指标。

2.2.3优点与缺点

利用全向天线，采用圆极化馈源或寄生单元等技术实现全向圆极化，由于天线本身的特性，全向性较好。

由于圆锥天线频率无关天线，所以不仅可以用于一般频段，也可以适用于频率特别高的情况下。

但是这类天线结构较为复杂，会给天线的加工制作造成一定的困难，且天线成本较高。

3．发展趋势

全向圆极化天线由于其巨大的社会、经济、军事价值，受到广泛的关注，随着科学技术和社会的不断发展，对全向圆极化天线的各方面性能要求也越来越高，总的来看，全向圆极化天线的发展主要趋势有以下几个方面：

小型化：

微电子技术与大规模集成电路的迅猛发展，使天线成为电子设备中庞大、笨重部件。

这个问题变得相当突出，对能与设备大小协调且具有效电性能的小天线的需求愈加迫切。

对天线小型化方法的研究繁多，也取得了相当的成果。

但都各有优缺点。

须要指出的是，天线尺寸的缩减往往以性能为代价。

宽带化：

由于圆极化带宽一般大大低于阻抗带宽，相对于天线的阻抗带宽，圆极化天线的轴比带宽不足，所以制约圆极化天线频带的因素主要是天线的极化特性和增益。

另外，弱采用微带天线实现全向圆极化，由于微带天线本身就是一种一维小型化谐振式天线，Q值高，频带窄，进一步限制了圆极化天线的带宽。

因此如何提高圆天线的带宽，将是今后全向圆极化天线研究工作中的一个重点。

多功能：

无线通信的飞速发展使得在雷达、通信和定位系统等领域都迫切需要双频、双极化微带天线，以实现频率复用，收发双工和天线共用。

目前双频天线的主要实现目标是获得可控双频比的双宽频带特性。

双极化天线主要考虑隔离度和每种极化的交叉极化电平。

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4．结论

尽管关于全向圆极化技术的相关文献为数众多，但都或多或少存在一定的欠缺，更加实用化的方法尚待进一步探索。

天线的极化性能、小型化与加工制作各方面之间常相互牵制，这正体现了任何事物矛盾的辩证本质，必须在权衡之中寻求适应特定需要的最佳平衡点。

随着科学技术的飞速进步和应用需求的无限扩展，以及人类追求尽善尽美的执着向往，全向圆极化天线必将不断推陈出新，结构日趋精巧，功能日渐完善，应用日益广阔。

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