低剖面小型化天線的設計

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天線結構與仿真分析

1雙頻小型化天線設計原理

圖1為遠端機天線安裝結構圖,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。要進行全向信號覆蓋,單極子天線是設計的首選。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)的傳統的單極子高度h為h=λ/4=c/(4×f0)≈83mm(1)式中,c為真空介質中的光速。高度顯然太大了。降低單極子高度的方法有很多,其中最經典的就是頂部加載[2]的方法。然而直接加載有兩個缺點:一是對單極子的輻射性能有很大影響,直接導致全向性變差,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或更高頻點時方向圖甚至有零點;二是會影響天線在高頻段的輻射性能和阻抗特性,使S參數變得發散。為此本文根據寄生耦合[4]的原理設計一款在單極子頂部通過寄生耦合加載的低剖面天線。通過調節加載耦合大小,既調節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氧板,寄生板兩邊的不對稱是為了調整阻抗特性穩定。且單極子頂部高過加載板上表面1mm,調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節圖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絡給它匹配饋電,板材采用介電常數為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頻點的0•1個波長。

2仿真分析

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

實物測試

根據仿真模型制作了天線實物,并用PVC(PolyvinylChloride)材料制作相應天線罩的實物,如圖4所示。圖5為AglientE5071C實測駐波結果。駐波帶寬為811~1050MHz/1580~2660MHz。與仿真結果有一定的區別,這是由于軟件建模及其計算過程存在一定理想化的處理,且實際制作裝配也有一定的工差。在微波暗室中對該天線進行了相應的方向圖測試,其在0.91GHz和2.3GHz處的水平面方向圖仿真與測試結果對比如圖6~7所示。從上圖可見,實測在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,該天線仿真與實測的方向圖比較一致。綜上,可見該低剖面天線的實際測試電路參數和輻射參數均滿足設計指標要求和功能需求。

結論

本文基于耦合加載的思想設計了一款用于分布系統中遠端機的低剖面小型化天線。與傳統全向天線相比,它在小金屬地、低剖面情況下提供了寬頻段信號覆蓋。以軟件仿真結果為基礎制作了實物,并對實物進行了實際測量,測試結果基本符合設計指標要求和功能需求。該設計具有很好的實用價值,為小型化寬頻帶全向天線提供了一種參考。下一步研究的重點是:盡一步減天線的尺寸以適應遠端機系統小型化的發展,并將其駐波比優化到1•5以下。（本文作者：宋陽、薛鋒章 單位：華南理工大學電子與信息學院）