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1 8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]

-2-

图3 对称振子全向圆极化天线结构图4 V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