全向高增益天线阵技术的研究进展

全向高增益天线阵技术的研究进展

余阳;朱永忠;何伟

【摘要】全向天线因其具有水平全向辐射特性,有利于高速运动的移动平台以及中继站接收各个方向的电磁波而受到广泛关注.综述了高增益全向天线的需求背景、典型结构和关键技术,依次介绍了共线折合振子阵、富兰克林全向共线振子阵、缝隙耦合串馈共线全向天线阵、同轴共线天线阵和印刷全向共线天线阵的结构特点,对比总结了它们各自的优缺点.最后还分析了高增益全向天线的宽带化、小型化、组阵等关键技术.为满足未来实际应用需求,高增益全向天线阵的宽带化、小型化技术将成为今后的研究重点.

【期刊名称】《电讯技术》

【年(卷),期】2018(058)011

【总页数】7页(P1356-1362)

【关键词】全向天线;全向天线阵;高增益;宽频带;小型化

【作者】余阳;朱永忠;何伟

【作者单位】武警工程大学信息工程学院,西安 710086;武警工程大学信息工程学院,西安 710086;武警部队参谋部,北京 100089

【正文语种】中文

【中图分类】TN82

1 引言

全向天线在现代移动通信中应用十分广泛，如车载台、船载台、陆基导航系统以及中继站等设备都要求采用全向天线。美国IEEE Std145-1993中给出了全向天线的定义：在一给定的平面内的辐射方向图基本上是无方向性的，而在任一正交平面内则是有方向性的一种天线。因此，全向天线的特别之处在于它的辐射特性，可以在水平方向内实现360°均匀辐射，即向自由空间中的某一平面均匀地分布辐射电磁

波能量，在该平面的方向图中数学表示为一个理想圆，这就使得全向天线有很大的应用潜能。例如,为了使车载、机载、船载等运动速度不定、轨迹不定的高速移动

平台以及基站在各种状态下均可接受电磁波，一般都要求使用全向辐射性能良好的天线。所以全向天线一直都是移动通信系统关注的重点问题[1]。

近年来随着通信技术的快速发展，高增益全向天线主要在结构上发生了很大变化。早期的高增益全向天线主要是柱状或者杆状的立体结构，例如1920年提出的富兰克林全向共线天线阵[2]、1989年由Balslay和Ecklund提出的同轴共线天线阵[3]以及共线折合振子阵[4]都是此类结构，这反映了早期高增益全向天线都是垂直极

化共线阵的柱状结构，此类天线至今还广泛运用于移动通信系统中。到了21世纪，也是移动通信迅猛发展的这十几年，更多的研究重点放在了宽带、高增益和小型化、轻型化等方面，高增益全向天线不再是柱状的立体结构，而更多的是采用平面印刷振子[5-7]作为天线阵的单元。此种结构的天线重量轻、成本低、制作简单，易于

同安装表面共形，因而受到了广泛关注。总体来说高增益全向天线经过不断创新发展，经历了从体积笨重到轻型化、小型化，从窄带到宽带的发展过程。就目前所取得的成果来看，高增益全向天线的带宽普遍较窄，目前已有一部分文献在较窄的频带实现高增益，但宽带的高增益全向天线比较少，特别是在相对较宽的频带内保持着比较稳定增益的全向天线更是少之又少。当前越来越多的系统急需使用高增益宽带全向天线，而高增益全向天线还有一些技术难点有待进一步研究和解决。

本文将近年来国内外研究学者所提出的各类高增益全向天线进行了总结分类和归纳，

并将各种高增益全向天线各项性能进行了对比，可以较清晰地看出它们各自的优缺点，以期为下一步设计高增益全向天线宽带化、小型化设计提供参考。

2 高增益全向天线的需求背景

任何一项技术的发展都离不开需求牵引。近年来定向天线越来越不能满足各类移动通信系统的要求，而高增益全向天线相比于定向天线有很大的优势，这种需求推动了全向天线的研究。

目前有些系统，例如视频监控系统、无线图传系统等，是需要建立自己独立的小型化基站，这样基地台才能收到手持终端设备传回的视频或图片。这种小型化的基站不便于跟移动基站一样每个频段用3个定向天线来覆盖服务区，同时为了让基站与位于服务区的移动手持终端设备实现高质量的通信，天线不仅需要均匀地照射服务区，而且增益还应尽可能地高，因此最好的选择是使用高增益全向天线。而目前全向天线很难在保证高增益的同时还实现较宽的频带。定向天线在某一方向上可以很容易实现高增益宽频带，因为能量集中在比较小的区域范围内，而全向天线向空间360°均匀辐射，如果辐射的范围大还要求其辐射能量也高，在技术上是有一定难度的。除此以外，车载、船载等高速移动平台以及陆基导航系统中的测距仪为了实现可靠的、高质量的通信，都需要使用高增益宽带全向天线。因此，高增益宽带全向天线的研究非常具有现实的意义。

3 高增益全向天线的典型结构及关键技术

3.1 高增益全向天线阵的典型结构

目前全向天线的种类很多，有偶极子或单极子的印制全向天线[8-10]、贴片结构的全向天线[11-13]、单锥盘锥和双锥构成的宽带全向天线[14-16]和鞭状天线[17-18]等，但高增益全向天线通常是直立天线阵形式。这是因为提高全向天线增益最有效的方法是组阵，所以大多数高增益全向天线都是将全向天线振子单元通过一定方式组合成直立共线天线阵。目前已有的高增益全向天线主要可分为以下5类：

一是共线折合振子阵；二是富兰克林全向共线振子阵；三是缝隙耦合串馈共线全向天线阵；四是同轴共线天线阵；五是印刷全向共线天线阵。

3.1.1 共线折合振子阵

折合振子天线属于比较经典的导线天线，由两端连接的平行振子组成，形成一个窄导线环，本质上是具有不等电流的非平衡传输线，常用作其他天线的馈电天线，如图1所示。将其用固定柱对称组阵后，全向性好，增益高，1～8元共线折合振子阵列的增益如表1所示。如图2所示，若同侧排阵，受固定柱的反射影响，水平面的方向图会偏向一侧。为获得较好的全向水平方向图，应在固定柱两侧架设天线单元[4,19]。

图1 折合振子Fig.1 Folded dipole表1 1～8元共线折合振子阵列的增益Tab.1 Gain of the collinear array of 1 to 8 elements

单元间距单元长度增益

/dBd12345678λ0/2λ0/203.35.26.27.58.39.09.65λ0/85λ0/436.28.19.410.311. 111.812.4

图2 折合振子天线Fig.2 Folded dipole antenna

3.1.2 富兰克林全向共线天线阵

富兰克林全向共线天线是由富兰克林在1920年提出的，经典的富兰克林天线结构如图3所示。其原理比较简单，采用级联方式进行同相馈电，并且将具有反向电流的λ/2(λ为介质波长)线段折叠起来使其基本不辐射，从而把具有同相电流的

λ/2线段保留下来，构成全向共线直立天线阵。对450 MHz富兰克林天线，测得3元阵和7元阵增益分别为3.2 dBd和7.2 dBd[2]。富兰克林全向共线天线阵具有结构简单、成本低的优点，其主要缺点是频带窄，易产生波束倾斜现象，且增益有限。

图3 富兰克林全向天线Fig.3 Franklin omnidirectional antenna