低剖面小型化天線的設(shè)計

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天線結(jié)構(gòu)與仿真分析

1雙頻小型化天線設(shè)計原理

圖1為遠(yuǎn)端機(jī)天線安裝結(jié)構(gòu)圖,可見對天線尺寸要求是低剖面且金屬地寬度較窄。對輻射特性要求是垂直極化且具有全向性。要進(jìn)行全向信號覆蓋,單極子天線是設(shè)計的首選。而單極子需要四分之一波長的高度,信號要覆蓋GSM900頻段,則工作在頻率f0(波長λ)的傳統(tǒng)的單極子高度h為h=λ/4=c/(4×f0)≈83mm(1)式中,c為真空介質(zhì)中的光速。高度顯然太大了。降低單極子高度的方法有很多,其中最經(jīng)典的就是頂部加載[2]的方法。然而直接加載有兩個缺點(diǎn):一是對單極子的輻射性能有很大影響,直接導(dǎo)致全向性變差,在限制金屬地尺寸(金屬地較小)的情況下,全向性更差,在2.5GHz或更高頻點(diǎn)時方向圖甚至有零點(diǎn);二是會影響天線在高頻段的輻射性能和阻抗特性,使S參數(shù)變得發(fā)散。為此本文根據(jù)寄生耦合[4]的原理設(shè)計一款在單極子頂部通過寄生耦合加載的低剖面天線。通過調(diào)節(jié)加載耦合大小,既調(diào)節(jié)了天線的阻抗帶寬也減小了加載板對單極子方向圖的影響,從而保證其全向性。由于橢圓形單極子可以在很寬的頻帶內(nèi)獲得良好的阻抗特性,因此,本文選用橢圓形金屬片作為單極子主輻射體[5]。如圖2所示,橢圓銅片為單極子主輻射體,厚度為0.5mm。單極子輻射體頂部是寄生耦合的單面環(huán)氧板,寄生板兩邊的不對稱是為了調(diào)整阻抗特性穩(wěn)定。且單極子頂部高過加載板上表面1mm,調(diào)整該高度對耦合大小有一定的影響,但主要的耦合大小是通過調(diào)節(jié)圖2(b)中頂部覆銅層中的耦合矩形的長L和寬W。單極子底部通過微帶饋電網(wǎng)絡(luò)給它匹配饋電,板材采用介電常數(shù)為2•65的FR4,厚度為1mm。天線置于190mm×40mm金屬地的正中央。整個天線高度為35mm,約為900MHz頻點(diǎn)的0•1個波長。

2仿真分析

本設(shè)計使用仿真軟件AnsoftHFSS13.0建模仿真。通過調(diào)節(jié)加載板上耦合矩形的長L和寬W,使天線的S參數(shù)更收斂后再通過匹配電路來對其匹配。最終調(diào)整得耦合處W=3mm,L=22mm。圖3為其仿真的駐波比。可見其在824~960MHz和1710~2690MHz頻帶內(nèi)駐波基本小于2。高頻駐波帶寬比低頻要寬的結(jié)果是由于對垂直高度的限制致使低頻段的阻抗特性發(fā)散而難以匹配。

實(shí)物測試

根據(jù)仿真模型制作了天線實(shí)物,并用PVC(PolyvinylChloride)材料制作相應(yīng)天線罩的實(shí)物,如圖4所示。圖5為AglientE5071C實(shí)測駐波結(jié)果。駐波帶寬為811~1050MHz/1580~2660MHz。與仿真結(jié)果有一定的區(qū)別,這是由于軟件建模及其計算過程存在一定理想化的處理,且實(shí)際制作裝配也有一定的工差。在微波暗室中對該天線進(jìn)行了相應(yīng)的方向圖測試,其在0.91GHz和2.3GHz處的水平面方向圖仿真與測試結(jié)果對比如圖6~7所示。從上圖可見,實(shí)測在0.91GHz和2.3GHz處分別有2.25dB和3.37dB增益,并有著不錯的全向性,該天線仿真與實(shí)測的方向圖比較一致。綜上,可見該低剖面天線的實(shí)際測試電路參數(shù)和輻射參數(shù)均滿足設(shè)計指標(biāo)要求和功能需求。

結(jié)論

本文基于耦合加載的思想設(shè)計了一款用于分布系統(tǒng)中遠(yuǎn)端機(jī)的低剖面小型化天線。與傳統(tǒng)全向天線相比,它在小金屬地、低剖面情況下提供了寬頻段信號覆蓋。以軟件仿真結(jié)果為基礎(chǔ)制作了實(shí)物,并對實(shí)物進(jìn)行了實(shí)際測量,測試結(jié)果基本符合設(shè)計指標(biāo)要求和功能需求。該設(shè)計具有很好的實(shí)用價值,為小型化寬頻帶全向天線提供了一種參考。下一步研究的重點(diǎn)是:盡一步減天線的尺寸以適應(yīng)遠(yuǎn)端機(jī)系統(tǒng)小型化的發(fā)展,并將其駐波比優(yōu)化到1•5以下。（本文作者：宋陽、薛鋒章 單位：華南理工大學(xué)電子與信息學(xué)院）