全向天线技术

全向天线技术
陈燕林, 阮成礼
电子科技大学物理电子学院，四川成都（610054）
E-mail ：july1025@
摘要：本论文主要分析了各种形式的全向天线，从单元天线到阵列天线都有涉及，并分析了各种形式天线的优缺点，根据多数全向天线低增益的特点，提出全向天线需提高增益的要求，并在文章结尾处简单罗列几种提高增益的方法。

关键词：全向,增益，单元天线，阵列天线
1．引言
天线是人们见闻世界的耳目，是人类与太空的联系，是文明社会的组成要素[1]。

随着移动通信事业在我国的迅猛发展，移动电话越来越多的为人们的工作和生活提供方便和快捷。

而用户之间通信必须先由天线发射到基站，再由基站传递给所需的用户。

因此，移动通信必须有基站天线的配合方可完成，也见证了基站天线的重要性。

基站天线按天线辐射的方向图来分类一般可以分为全向天线和定向天线。

定向天线一般用于移动用户密度较高的区域，例如市区、机场、商业中心等。

而在移动用户密度较低的区域，例如市郊、农村等地区，由于用户分布比较稀疏，话务量不是很高，所设基站数目一般都比较少，密度比较底，这时就需要用到全向天线。

而电波在空中传播时由于受到多方面衰落，为了保证通信质量，而又不增加基站数量，就要求天线的增益相对比较高，因此近年来开发高增益全向天线，来改善通信质量是通信系统中一个迫切的研究课题。

本文对全向天线的形式进行了分析，并在结尾处简单罗列了几种提高增益方法。

全向天线发展至今，目前从结构形式上产生了多样化的成果，从最初的单极子，偶极子，双锥，螺旋天线到对数周期天线，微带，智能天线等，对一些自身很难达到全向辐射的单元天线，可将其组成阵列，就能形成全向辐射的方向图，本文中涉及到的有串馈直线式微带阵列天线，还有一些并馈微带阵列天线，渐变缝隙天线等。

2． 天线的方向性和增益
2．1 天线的方向性
天线在空间各点的辐射强度是不相同的，把天线置于球坐标中，在各点的辐射强度可用角坐标（θ，φ）的函数来表示，可写为方程（1），
(,)E Af θϕ= （1）
其中，A 为比例常数，f(θ，φ)称为天线的方向图函数[2]。

为了使用方便，一般取方向性函数的最大值为1，得到归一化方向性函数，记为
(,)(,)/fmax F f θϕθϕ= （2）
其中，f max 是方向性函数f(θ，φ)的最大值。

根据方向性函数f(θ，φ)和F(θ，φ)绘制的图形称为天线的方向图，天线的辐射方向图是用图形来表示天线远区的辐射特性，一般是一个三维空间的曲面图形，但工程上为了方便采用两个互相正交主平面上的抛面图来描述天线的方向性，通常取E 面（即电场矢量与传播方向构成的平面）和H 面（即磁场矢量与传播方向构成的平面）内的方向图。

电场分量在E-面上，是包含Z 轴的平面，E-面上的 坐标不变化，E-面方向图反映场矢量随坐标θ变化的情况，磁场分量在H-面上，是包含xy 轴的坐标平面，H-面上的θ=90，H-面方向图反映场矢量随 φ坐标变化的情况，E-面方向图和H-面方向图主平面方向图。

例如偶极子的E-面方向图是一个双圆环，H-面方向图是一个圆，称H-面方向图是全向的，如下图所示。

(a) 偶极子的场分量 (b) E-面方向图
(c) H-面方向图
图1 偶极子的辐射方向图 (a) 场分量 (b)E-面方向图 (c)H-面方向图
2．2 天线的增益
在考虑天线的能量转换效率时，为了能完整的描述天线性能，引入增益的概念[3]，通常用天线输入功率为基点来定义天线增益，既在输入功率相同条件下，天线在某方向某点产生的场强平方与点源天线在同方向同一点产生场强平方的比值，用方程式表示为： 20(,)(,)/G E θϕθϕ=2E （3）
也可定义为某方向某点产生相同场强的情况下，点源天线的输入功率与该天线的输入功率的比值，表示为：
0(,)/(,)in in G P P θϕ=θϕ （4）
通常天线增益均指最大辐射方向的增益，因此（3）和（4）式可表示为：
22
00/m m G E E P P ==/in (5)
天线增益常用分贝数表示，有时也称为增益系数和功率增益。

全向天线，在水平方向图上表现为360°都均匀辐射，也就是平常所说的无方向性，即水平面方向图为圆形或只有弱方向性（相对电平变化不超过3dB ），在垂直方向图上表现为有一定宽度的波束，既垂直面内有一定方向性以提高天线的增益，通常要求赤道面内辐射最强，增益最大，一般情况下波瓣宽度越小，增益越大。

3 几种常见的单元全向天线
3．1 单极子
3.1.1 微带馈电的单极子
平面单极子天线[4]结构简单，有接近全向的辐射方向图，在通信中被广泛的应用，如下图所示的单极子天线。

该天线的最大不同之处在于地面的变形，常规天线的地面经常是整个介质的尺寸，而该单极子的地面只有介质的一半还小，且一边改为椭圆形与三角形组成，椭圆形长短半轴之比为1.8,单极子也为椭圆形，长短半轴之比为1.2,整个天线有微带馈电，地面宽度W 和馈电缝隙处的长度h 是影响天线性能的主要参数。

如下图L=100mil,W=450mil,w1=47mil,l1=200mil,b=130mil,θ=10 。

(a)顶视图 (b)正面 (c)背面
图2 微带馈电单极子的结构图 3.1.2 共面波导馈电的单极子天线
图二所示是一共面波导馈电的超宽带全向天线[5]。

其特点之一是用到共面波导馈电，共面波导与传统的微带线相比有两大优点：高频的低偏移特性和宽的阻抗带宽。

另一特点在于辐射单元采用六边形贴片，与其他的长方形，正方形，三角形相比，六边形也有宽带特性的固有优点。

整个天线馈电部分通过在接地共面波导上下面上开孔，使得上下两层面之间形成短路，从而阻止了寄生模式的产生，而且孔的数量也可改变天线的输入阻抗。

从图中还可看到，六边形贴片下地面被移去，这样可以促使底部宽边的辐射。

通过调节馈线以及馈线两侧缝隙的宽度可以达到良好的匹配，这也使得天线容易得到阻抗匹配。

(a)单极子上层结构 (b)单极子的底部地面结构
图3 共面波导馈电的单极子天线 3.2 偶极子
单极子和偶极子虽然理论上具有全向的辐射模式，但实际上因馈线的影响，垂直面上电场下倾，使得水平方向上的辐射特性受到影响，因此很难得到完美的全向方向图。

下图所示天线[6]由偶极子组成，通过合理安排偶极子辐射单元与馈线的隔离，屏蔽了馈线的影响，使水平方向上达到全向辐射，天线通过采用另一偶极子作为寄生单元，使得整个天线工作在两个频段0.9GHZ 和2.0GHZ ，且天线增益很高，两个频段分别达到10dBi 和12dBi 。

整个天线结构为：中间为一金属管，围绕金属管有四片介质，每一介质上有两个带有寄生单元的偶极子，偶极子长度为137mm ，工作频率为0.9GHZ ，寄生单元长度为47mm ，工作频率为2.0GHZ ，同一基片上两个偶极子的中心距离为150mm,整个天线用一直径为110mm 的柱形天线罩包起。

天线的馈电部分用到四路工分器和巴仑。

(a)偶极子剖面图
(b)偶极子结构图示
图4 偶极子天线结构图 3.3 螺旋天线
螺旋天线也是全向天线的一种形式，因为其直径小而方便使用，如下图所示，为一双线螺旋天线[7]，整个天线由两跟平行线围绕一个圆柱组成，用巴仑和同轴电缆馈电，一般情况下，直径D 和仰角α分别为0.1λ （λ。

为中心频率时的波长）和45到70，天线长度L 有所需要的增益来决定，垂直面上的辐射方向角 θ有方程（6）决定，其中λ为不同频点的波长，有方程可看出，对于一个带宽较宽的螺旋天线，频段上下限固有的主辐射方向角θ会
有较大偏差，这样会造成天线的增益在不同频点时不能同时达到最大增益，为解决这个问题，可以用组阵的方法，如下图（右）所示为一线阵双线螺旋天线，跟单元螺旋天线相比，同一工作频段下，阵列天线的增益较为均匀。

两个单元天线的输入相位差有方程（7）决定。

1sin [((/)cos 1)/sin ]D θλπαα−≈− （6）
02cos /L 0ϕπθλ= （7）
(a)单元双线螺旋天线 (b)线阵双线螺旋天线
图5 螺旋天线结构图
3.4 对数周期天线
如下图所示为一个准对数周期天线[8]，由一个偶极子加载两个短接线组成，拥有低轮廓，馈电方便等优点，可用同轴馈电，此种形式的偶极子天线与传统只有两个臂的偶极子相比，
（a ）准对数周期天线的结构 （b ）传统半波长偶极子天线的结构
图6 准对数周期天线结构图 由于两个短接线的存在，减小了原有的电抗部分，使得带宽增加到30%，并且并没有改变其原有的全向方向图。

并且该天线的特性仅有三个参数：短接线的长度a ，两个短接线的垂直距离c ，两个短接线的水平距离b 即可调节。

但该天线的增益只有2.2dBi, 还需通过其他的措施来提高其增益。

3.5 双圆锥全向天线
下图所示为双圆锥天线[9]，具有频带宽，全向均匀性好，结构简单等优点，在雷达，通信中得到应用。

该天线由两个金属圆锥和一根同轴馈线构成，其辐射情况是由振子天线演化而来的，其辐射空间在两个圆锥臂之间，同轴线的内外导体分别接到双圆锥的两个顶点，即可激励最低模式TEM 模。

这种喇叭无论工作在垂直极化还是水平极化波，其水平面都是全
方向性的，在垂直面可按照对应极化的喇叭方向图尺寸计算，波瓣宽度与锥角和斜长有关。

图7 双圆锥全向天线
3.6 平面印刷天线
平面印刷天线具有剖面低、重量轻、体积小、成本低、便于集成和组成阵列等优点而 得到广泛的研究和应用[10][11],下面介绍两种形式的平面印刷天线。

3.6.1 Z 型平面印刷天线
无线通信中多采用垂直极化天线，水平极化的不多，但考虑到基站发射的信号要经过反射或绕射才能到达移动终端，此间，极化要发生旋转，一般说来，多径信号在到达移动终端时，既有水平极化信号，又有垂直极化信号，因此基站多采用极化分集技术，在发射端和接收端分别安装两个天线，一个水平极化，一个垂直极化，以得到两个不相关的信号。

如图七所示Z 型水平极化全向天线[12][13]，基于电流环思想，该天线采用Alford 环结构设计，在方形介质基板的两面分别印刷两层同样的Z 型金属带，但上下两个Z 型的臂围成一个方环，并且两个Z 的斜臂要平行。

因为结构的对称性，所以两层金属带上的电流分布幅度相同，相位相差180度，由于两个金属带之间的距离比较小（介质板厚度很小），两个斜臂上的电流相互抵消，周围四个臂形成环形电流分布（如图八），从而辐射一个水平极化波，得到全向方向图。

(a)结构图 (b)电流分布
图8 Z 型印刷天线结构图与电流分布 3.6.2环形平面天线
圆形和环形帖片工作于TM 02时，其电流分布可使其全向辐射，下图所示天线即有工作于TM 02的圆形和环形帖片组成，且该天线[14]工作于双频情况下，圆形和环形贴片各控制一工作频率，圆形控制高频，环形控制低频，圆形贴片半径由式（8）可得到，
3.832/2R c f
π=× （8）
环形贴片内外半径也可根据式（9）来推倒，
J’n（ka）Nn’（kb）-J’n（kb）N’n（ka）=0 （9）
其中J’n和 Nn’ 分别为第一和第二类n阶贝塞尔函数。

再由（8）和（10）可得到，
R=（a+b）/2 （10）
根据环形的内半径要大于圆形的半径来调节。

图9 环形双频全向天线
4 几种阵列全向天线
一般的单元天线很难形成全向辐射，我们可以考虑将其组成阵列，从而可以使阵列天线形成全向方向图。

而且单个天线的增益一般有限，通过组成阵列，可以提高增益，从而满足我们所想要设计的全向高增益的要求。

下面我们简单介绍串馈直线阵，渐变缝隙全向天线以及单元振子全向天线。

4.1微带全向天线
微带天线因其结构简单，加工成本低，重量轻等诸多优点，成为近几年天线领域的一项关键技术，因此，各种性能的微带天线都在被研究，全向性也成为微带天线发展的一个趋势，比如利用微带传输线进行交叉馈电可以实现微带天线的全向辐射性能。

如图九所示，为一个多点激励的直线阵列天线[15]，该天线由多个/2
g
λ的微带段级连而成，微带线段的地板和导带在介质基片的两面交替放置，并且微带的地板宽度是变化的，利用交叉连接来达到倒相的目的。

该结构中除了传输模，还存在交叉连接点的不连续性形成的辐射模，波沿导带和地板的内表面传输，辐射的大小由地板宽度来控制，为得到良好的全向性能，宽度限制在大约
0/4
λ范围内。

欲使该天线达到良好的辐射效率，还可以对其进行阻抗匹配，在每段导带上添加矩形帖片，通过增加电抗分量来改善匹配。

如图九(b)所示。

(a)结构图 (b)利用矩形贴片进行阻抗匹配
图10 微带全向天线
4.2 渐变缝隙等效全向天线
图十所示的天线为渐变缝隙天线阵[16]，该阵列由放射状等角度排列几个单元天线组成，根据每个单元天线的波束宽度，加以调整单元天线数量，从而使阵列天线恰好可覆盖360度，其中每个天线由微带分支馈电，各微带分支由同一主微带线馈电，主微带线再由一同轴线馈电，如下图所示。

该单元天线的优点还在于若将其稍微弯折，方向图指向也将相应转向，且当弯折角度不大于30度时，其增益，波束宽度不会有明显改变。

而且通过调整天线长度可以提高增益。

(a)缝隙天线 (b)等效全向天线
图11 渐变缝隙等效全向天线
4.3 12单元振子全向阵列
图12所示为12个振子单元组成的全向阵列[17]，整个阵列为圆形平面结构，可以把整个阵列看作为在一圆形贴片上开12个逐渐变细的槽，为了得到均匀的辐射方向图，所有振子要有相近的工作频率，相近的相位，单元振子与阵列之间的频率和相位关系可由如下关系式得到：
sin m f f φΔΔΔ∼ （11）
其中f Δ是单元振子自由工作频率与阵列工作频率之间的偏差，m f Δ是单元振子自由工作频率上下限的最大的偏差，φΔ是单元振子与阵列的相位偏差。

(a)顶视图 (b)侧视图
图12 12单元振子全向阵列天线
5．提高增益
由上述可知，欲使天线具有全向的方向图，可以采取很多办法，可以有各种形式的天线
供选取，但大多数全向天线的增益都不高，因此，我们现在急需的是找到一种高增益的全向天线，才能满足现在通信基站天线的要求。

目前，提高增益的方法有很多，比如增益不很高的单元天线来组成阵列从而提高增益[18][19][26]；对微带天线还可利用其平面结构的优点，通过多层结构来提高增益[20]；通过改变馈源形式也可提高增益[21][22]；通过改变介质结构[23]，比如现在采用的PBG结构[24],添加介质覆盖层[25]；给天线加反射板[27][28]也可改变增益；总之，现在天线技术已经发展的相当成熟，想要做到全向高增益天线并不难，但在考虑易加工，成本低，结构简单等因素时，就给天线研究者提高了难度，因此，我们现在的迫切任务已经不仅仅是单一的做到全向高增益，同时要考虑到工程上的诸多因素，这正是我们今后要努力的方向。

5.1 在贴片上覆盖高介电常数介质
这一技术是在贴片上覆盖一层高介电常数介质（如陶瓷），如图13在可接受的方向图范围内优化所覆盖介质的厚度以获得最大增益，一般覆盖介质厚度为四分之一波长时获得最大相关接收功率[29]。

图13覆盖高介电常数介质
这一技术提高增益的机理，从射线光学的观点来看，当天线发射的射线入射到不同媒介的分界面上时将根据斯涅尔法则产生弯曲；用传输线的方法分析，通过合适地调整层的参数（厚度和介电常数），大部分射线将向一个特定的方向弯曲而入射到自由空间[31]。

所以覆盖介质能抑制表面波，使之向需要的方向辐射，从而提高了增益。

对于一个阻抗加载的天线，覆盖介质层后增益可提高10.8dB。

但是覆盖高介电常数介质也会带来一些不良影响，如使阻抗带宽，天线效率，交叉极化变坏，天线变厚且加大了天线制造的难度。

5.2 加入放大电路
这一技术是直接在天线的馈电端加入放大反馈电路，以此来提高增益。

对于给定增益的情况下，尽量增大偏置放大器的反馈电阻可有效展宽带宽[29]。

对于这一技术本文不再详细介绍，具体可参考文献[29]。

5.3 接地板开槽
地板开槽也能提高增益。

这类天线辐射效率达到60%，而普通天线只有30%到40%[30]。

地板开槽之所以能提高增益，可能是由于地板的槽向后辐射能量使地板与槽之间
储存的能量降低从而降低了品质因数。

6结束语
由上述可知，全向天线有多种形式，也有多种方法可以实现，但我们面临的不仅仅是全向技术，而更多会是高增益的要求，小型化的要求，宽带化的要求，这是天线发展的趋势。

然而，天线的性能对物理尺寸具有很强的依赖性，尺寸的减小意味着天线的频带变窄，效率降低，增益下降。

如何在保证天线的性能前提下努力减小天线的尺寸、扩展天线的带宽就成为了人们重点研究的课题。

因此，虽然天线的发展面临着诸多挑战，但是，我们有理由相信，在未来几年这些困难将会有大的突破。

天线技术的发展会朝着小型化、高效率、稳定增益、宽频带方向不断发展。

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A brief introduction of the technology of omni-directional
antenna
Chen Yanlin, Ruan Chengli
Institute of applied Physics, University of Electronic Science and Technology of China, Chengdu
(610054)
Abstract
In this paper, we analyze the various forms of omni-directional antenna, including Cell Antenna and array antenna. And the advantages and disadvantages of antennas are pointed out. According to the majority of all the characteristics of low-gain antenna, increasing the omni-directional antenna gain is requested. Several methods of increasing gain are listed at the end of the paper.
Keywords: omni-directional, gain, cell antenna, array antenna。