新型平面短路結(jié)構(gòu)寬帶振子天線(xiàn)的設(shè)計(jì)

陳愛(ài)新 魏文軒 姜鐵華 張艷君

(北京航空航天大學(xué) 電子信息工程學(xué)院,北京 100191)

新型平面短路結(jié)構(gòu)寬帶振子天線(xiàn)的設(shè)計(jì)

陳愛(ài)新 魏文軒 姜鐵華 張艷君

(北京航空航天大學(xué) 電子信息工程學(xué)院,北京 100191)

提出了一種改進(jìn)后的新型平面短路結(jié)構(gòu)寬帶振子天線(xiàn).與普通振子天線(xiàn)相比,該天線(xiàn)的平面短路結(jié)構(gòu)更利于與載體表面共形.通過(guò)對(duì)天線(xiàn)主要結(jié)構(gòu)參數(shù)分析優(yōu)化,這種新型天線(xiàn),憑借著其獨(dú)特的外形結(jié)構(gòu)和阻抗加載技術(shù),相比于同類(lèi)天線(xiàn)不但實(shí)現(xiàn)了天線(xiàn)尺寸的小型化,而且有更好的帶寬和輻射特性.軟件仿真表明,該天線(xiàn)在超短波甚高頻(VHF,Very High Frequency)工作頻段(30～88MHz)內(nèi)滿(mǎn)足電壓駐波比小于 3,垂直極化,水平全向輻射,輻射強(qiáng)度在工作頻段優(yōu)于 -10dB,輻射增益平坦度在 2dB以?xún)?nèi).計(jì)算結(jié)果與實(shí)測(cè)結(jié)果吻合良好,該天線(xiàn)在超短波通信系統(tǒng)中有較好的應(yīng)用前景.

共形;加載;極化

在當(dāng)今大多數(shù)飛行體和便攜式通信設(shè)備中,平面振子天線(xiàn)因其結(jié)構(gòu)簡(jiǎn)單、低剖面、低成本、易于和載體共形等良好特性得到了深入研究和廣泛應(yīng)用.有關(guān)平面振子天線(xiàn)的研究發(fā)展迅速,已經(jīng)成為天線(xiàn)學(xué)科的一個(gè)重要研究方向.隨著自由空間中電磁兼容環(huán)境的不斷復(fù)雜化,無(wú)線(xiàn)通訊設(shè)備的通信質(zhì)量需要得到進(jìn)一步提高,這對(duì)相應(yīng)天線(xiàn)的性能及安裝結(jié)構(gòu)提出了一個(gè)更高的要求.短波振子天線(xiàn)為了獲得較好的增益帶寬往往采用較大的尺寸,從而限制了其在某些應(yīng)用領(lǐng)域的發(fā)展,但是通過(guò)相應(yīng)的寬帶技術(shù),可以在天線(xiàn)尺寸較小的情況下獲得較好的帶寬.因此,研究振子天線(xiàn)的寬帶小型化技術(shù)具有重要的實(shí)際意義.

針對(duì)振子天線(xiàn)的寬帶技術(shù)主要有:①把天線(xiàn)的水平輻射單元從線(xiàn)單元改為平面單元、用金屬平板代替原來(lái)的細(xì)導(dǎo)線(xiàn)作為主輻射體,能有效地增加阻抗帶寬,文獻(xiàn)[1]中的一種改線(xiàn)為平板水平元的 IFA(Inverted-F Antenna),VSWR(Voltage StandingWave Ratio)＜2的帶寬達(dá)到 2.5%,優(yōu)于線(xiàn)狀元 0.8%的帶寬;②將天線(xiàn)的輻射分枝構(gòu)成彎曲、交錯(cuò)、反復(fù)曲折的短路結(jié)構(gòu)[2-3],加載容性垂直單元,以及在天線(xiàn)輻射分枝上開(kāi)槽等[4].③給天線(xiàn)增加寄生單元,在中心頻率附近產(chǎn)生高頻或者低頻諧振點(diǎn),以達(dá)到展寬阻抗頻帶的效果[5].綜合運(yùn)用多種頻帶擴(kuò)展技術(shù)往往可以得到更好的寬頻帶效果.

本文綜合運(yùn)用上述幾種寬帶技術(shù),提出一種新型平面短路結(jié)構(gòu)寬帶振子天線(xiàn).該天線(xiàn)以平面振子天線(xiàn)為原型,一方面利用寬尺寸輻射平面單元展寬頻帶;另一方面設(shè)計(jì)對(duì)稱(chēng)彎折的垂直短路單元,實(shí)現(xiàn)容性加載,在提高輸入阻抗?jié)M足匹配的同時(shí)增加了帶寬.通過(guò)在彎折單元的合適位置進(jìn)行阻抗加載,進(jìn)一步擴(kuò)展帶寬,減小天線(xiàn)尺寸,實(shí)現(xiàn)小型化.本文通過(guò)建立線(xiàn)柵模型,闡述天線(xiàn)的設(shè)計(jì)原理,對(duì)天線(xiàn)進(jìn)行電性能分析,給出主要參數(shù)對(duì)帶寬、輻射特性的影響.HFSS(High Frequency Structure Simulator)軟件的仿真結(jié)果和實(shí)物測(cè)量結(jié)果均表明該天線(xiàn)性能很好地符合設(shè)計(jì)指標(biāo).

1 天線(xiàn)結(jié)構(gòu)及原理分析

1.1 天線(xiàn)結(jié)構(gòu)

平面短路寬帶振子天線(xiàn)結(jié)構(gòu)如圖 1所示.與傳統(tǒng)的振子天線(xiàn)放置形式不同,其與地面成一定角度放置,這是為了便于主輻射體與載體表面共形.天線(xiàn)結(jié)構(gòu)主要分為 4個(gè)部分:主平面輻射單元、一對(duì)折合寄生縫隙單元、一對(duì)加載阻抗和饋電端口.而鋁平板(尺寸為 1 000mm×1 000mm×1mm,電導(dǎo)率為 3.8×107S/m)一是為了支撐整個(gè)天線(xiàn)結(jié)構(gòu),二是仿真無(wú)限大平面.天線(xiàn)主輻射平面為長(zhǎng) h=1800mm,寬 w=280mm的矩形銅片,底部采用三角形漸變結(jié)構(gòu)接入饋電,有利于增加帶寬.一對(duì)折合寄生縫隙單元,對(duì)稱(chēng)放置在主平面兩側(cè),在底端各附有阻抗加載,從而構(gòu)成短路結(jié)構(gòu).如圖 2,l,d1,d2,d34組參數(shù)分別決定了彎折單元的形狀.其中 d1=9 mm,l=100mm,d2=150mm,d3=21mm.在天線(xiàn)底部用一個(gè)阻抗 50Ω的 SMA接頭進(jìn)行饋電.

圖1 天線(xiàn)結(jié)構(gòu)示意圖

圖2 折合寄生縫隙單元結(jié)構(gòu)示意圖

1.2 輻射原理分析

目前,對(duì)于平面寬振子還沒(méi)有準(zhǔn)確的解析公式或者近似公式來(lái)描述表面電流分布.因此,鑒于該天線(xiàn)存在復(fù)雜彎折結(jié)構(gòu),可以對(duì)其結(jié)構(gòu)利用線(xiàn)柵模法(wire grid model method)進(jìn)行分析.

根據(jù)圖 1,建立天線(xiàn)結(jié)構(gòu)的線(xiàn)柵模型.假設(shè)線(xiàn)柵模型由 N個(gè)線(xiàn)段組成,網(wǎng)格的導(dǎo)線(xiàn)間隔不大于0.1λ,每一個(gè)線(xiàn)段再根據(jù)線(xiàn)段的具體長(zhǎng)度分為 M個(gè)線(xiàn)元,每個(gè)線(xiàn)元視為一電偶極子.任意線(xiàn)元產(chǎn)生的電場(chǎng)含軸向和徑向分量,但是由于頻率在超短波頻段,波長(zhǎng)數(shù)量級(jí)為米,所取線(xiàn)元半徑遠(yuǎn)遠(yuǎn)小于波長(zhǎng),電流僅僅沿導(dǎo)線(xiàn)軸方向流動(dòng),因此線(xiàn)上電流J產(chǎn)生的電場(chǎng) Es用矢位 A表示為[6]

其中 J(r′)為待定電流,根據(jù)矩量法用展開(kāi)函數(shù)Jm(r′)的有限和來(lái)逼近[7],即

將積分方程寫(xiě)成算子方程形式

線(xiàn)柵模型上所有線(xiàn)元的空間場(chǎng)合成即為天線(xiàn)的空間場(chǎng).由于天線(xiàn)形式規(guī)則、網(wǎng)格較細(xì),因此選用脈沖函數(shù)作為基函數(shù)和權(quán)函數(shù),將權(quán)函數(shù)和基函數(shù)作內(nèi)積形成矩陣方程[7]:

其中,I為未知量 Im的矩陣;V是除了相應(yīng)于饋電電壓外其余元素均為 0的列矩陣;Z是 M′×M′階阻抗矩陣,阻抗矩陣元素可由哈林登給出的方法得出[7].在上述基礎(chǔ)上,求解矩陣解方程中的 I未知系數(shù) Im,就可求得天線(xiàn)的輻射和阻抗特性.

1.3 天線(xiàn)結(jié)構(gòu)參數(shù)特性分析

為了比較天線(xiàn)的主要參數(shù)對(duì)諧振頻率及阻抗帶寬的影響,明確天線(xiàn)的輻射機(jī)理,按照天線(xiàn)結(jié)構(gòu)示意圖,利用 HFSS仿真軟件對(duì)天線(xiàn)結(jié)構(gòu)進(jìn)行建模,并對(duì)各主要設(shè)計(jì)參數(shù)的設(shè)計(jì)原則進(jìn)行計(jì)算分析.設(shè)計(jì)天線(xiàn)工作的中心頻率為 90MHz,折合寄生縫隙單元末端采用 R=200Ω電阻加載.

參數(shù) w和 h決定了天線(xiàn)主輻射體平面的尺寸,圖 3、圖 4為通過(guò)改變其參數(shù)值得到相應(yīng)的天線(xiàn)駐波.

圖3 主平面長(zhǎng)度尺寸對(duì)駐波比的影響

圖4 主平面寬度尺寸對(duì)駐波比的影響

由圖 3可以看出,在指定頻帶內(nèi),隨著主輻射面長(zhǎng)度的增加,天線(xiàn)的諧振頻率隨之降低.當(dāng)長(zhǎng)度大于 1.9m時(shí),有 2個(gè)諧振頻率落在頻帶內(nèi).通過(guò)2個(gè)諧振頻率的疊加,駐波有較大程度的改善.由文獻(xiàn)可知,h/λ為電尺寸,隨著電尺寸的變小,Q值將隨著以三次方的程度增加,因此帶寬將明顯變窄.但是,隨著振子長(zhǎng)度的增加,低頻段的駐波起伏也隨之增大.在 1.9m,約為 λ/2(中心頻率波長(zhǎng)為 3.3m)附近,有一個(gè)最優(yōu)值能獲得相對(duì)最優(yōu)的駐波曲線(xiàn),且低頻諧振頻點(diǎn)在 40MHz附近.而通過(guò)增加主輻射振子的寬度,可以在不改變諧振頻點(diǎn)的情況下擴(kuò)展帶寬.

折合寄生單元短路振子的結(jié)構(gòu)尺寸則由 4個(gè)參數(shù)決定.圖 5為這 4個(gè)參數(shù)變化分別對(duì)天線(xiàn)駐波的影響.由圖可知,作為振子連接部分的寬度尺寸的 l變化對(duì) 38MHz諧振頻率影響并不大,但是帶內(nèi)駐波起伏隨著參數(shù)的增大變得較為平坦,在100mm附近最佳,平均駐波最小.而振子的參數(shù)必須要小于某一個(gè)定值,否則將產(chǎn)生嚴(yán)重的駐波現(xiàn)象導(dǎo)致天線(xiàn)無(wú)法正常工作.狹長(zhǎng)振子 d1參數(shù)必須要在 50mm以?xún)?nèi),而振子頂端高度則要小于20cm,但是這 2個(gè)參數(shù)在條件范圍內(nèi),對(duì)天線(xiàn)的性能影響并不大.振子連接部分和狹長(zhǎng)部分之間的距離對(duì)天線(xiàn)駐波有一定影響.仿真結(jié)果表明,距離的縮小將有助于降低天線(xiàn)的駐波比,從而得到較好的帶寬.分析可得,振子 4個(gè)參數(shù)的變化對(duì)天線(xiàn)的低頻諧振頻點(diǎn)的影響并不大,但是都在不同程度上決定了天線(xiàn)的帶寬.

圖5 折合寄生縫隙短路單元尺寸對(duì)駐波比的影響

為了分析折合寄生縫隙短路單元末端的加載電阻對(duì)天線(xiàn)駐波比的影響,見(jiàn)圖 6.采用了不同阻值的加載電阻進(jìn)行仿真分析比較,發(fā)現(xiàn)當(dāng)加載電阻 R=200Ω時(shí),能夠較好的匹配天線(xiàn)自身阻抗,獲得較優(yōu)的駐波特性,使天線(xiàn)輸出功率最大.

圖6 加載電阻對(duì)駐波比的影響

2 天線(xiàn)優(yōu)化結(jié)構(gòu)的性能與測(cè)量結(jié)果

通過(guò)上述對(duì)天線(xiàn)參數(shù)的仿真分析可知,天線(xiàn)主輻射體的尺寸是天線(xiàn)諧振頻率最主要的影響因素,同時(shí)也是駐波的影響因素之一.超短波頻段的最佳長(zhǎng)寬比為 6.2∶1.兩邊的對(duì)稱(chēng)振子不但影響著駐波曲線(xiàn),同時(shí)也是容性阻抗加載的重要元件.通過(guò)優(yōu)化仿真可知,在振子頂部加載 200Ω后,將得到較好的阻抗圓圖,可以保證輸入阻抗在脈沖能量分布的主要頻帶上保持一致,有效地輻射能量,同時(shí)滿(mǎn)足阻抗匹配.圖 7上部為調(diào)整振子參數(shù)并在振子末端加 200Ω加載阻抗后的天線(xiàn)輸入阻抗圖.從圖中可以看出,雖然仍然稍偏容性,但是已經(jīng)有較好的阻抗頻帶.通過(guò)優(yōu)化仿真最終得到的天線(xiàn)尺寸也有較好的水平輻射方向圖,如圖 7下部為 30～90MHz每隔10MHz的頻點(diǎn) H面方向圖.除了 90MHz存在一定的零度縱深現(xiàn)象,各頻點(diǎn)的方向圖幅度均大于 -10 dB,平坦度小于 2 dB,滿(mǎn)足天線(xiàn)性能的設(shè)計(jì)指標(biāo).

圖7 天線(xiàn)輸入阻抗和H面方向圖

使用銅箔作為輻射體的主要材料,鋁板作為理想無(wú)限大的平面,并以非導(dǎo)電材料機(jī)尾模型作天線(xiàn)載體,按照天線(xiàn)尺寸加工天線(xiàn)外形.加工天線(xiàn)縮比模型實(shí)物后,由于測(cè)試環(huán)境所限,僅對(duì)天線(xiàn)駐波比特性使用Agilent8719/8593系列矢量網(wǎng)絡(luò)分析儀進(jìn)行了測(cè)量.仿真結(jié)果和測(cè)試結(jié)果比對(duì)圖如圖 8所示,從中可以看出,仿真結(jié)果與測(cè)試結(jié)果一致性較好,滿(mǎn)足天線(xiàn)駐波的設(shè)計(jì)要求.

圖8 仿真結(jié)果與測(cè)試結(jié)果駐波比對(duì)圖

3 結(jié)束語(yǔ)

本文給出了一種新穎的平面短路結(jié)構(gòu)寬帶振子天線(xiàn).通過(guò)多種寬帶技術(shù),在平面結(jié)構(gòu)的基礎(chǔ)上采用新型對(duì)稱(chēng)折合寄生單元短路結(jié)構(gòu)進(jìn)行容性加載、阻抗加載,不但獲得了較好的帶寬和輻射特性,在超短波 VHF(Very High Frequency)工作頻段(30～88MHz)內(nèi)滿(mǎn)足 VSWR＜3,頻帶內(nèi)方向圖水平全向,主瓣不分裂,垂直極化,輻射強(qiáng)度在工作頻段內(nèi)優(yōu)于 -10 dB,輻射增益平坦度在 2 dB以?xún)?nèi).而且,憑借其低剖面結(jié)構(gòu),便于與載體共形,該天線(xiàn)在超短波通信領(lǐng)域有較廣闊的應(yīng)用前景.

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(編 輯 :婁 嘉)

Design of novel planar shorting structure broadband monopole antenna

Chen Aixin Wei Wenxuan Jiang Tiehua Zhang Yanjun

(School of Electronics and Information Engineering,Beijing University of Aeronautics and Astronautics,Beijing 100191,China)

An improved novel planar shorting structure broadband monopole antenna was presented.In the light of planar structure easily con formal to substrate,the special shape structure and the technique of loadadding,this kind of antenna realizes the miniaturization and has a better bandwidth and radiation compared with the conventional monopole antenna.The theoretical parameters analysis of the main structure and simulation results with high frequency structure simulator(HFSS)show that the antenna satisfies the conditions of voltage standing wave ratio(VSWR)less than 3,vertical polarization,horizontal omni-directional radiation,radiation gain no less than-10 dB and radiation smoothness below 2dB,on the work frequency band ranged from 30～88MHz.The antenna has a wide application in vere high freq wency(VHF)communication system.The calculational results derived agree well with the experimental results.

conformations;loading;polarization

TN 821+.4

A

1001-5965(2010)03-0283-04

2009-02-27

國(guó)家自然科學(xué)基金資助項(xiàng)目(60831001,F010610)

陳愛(ài)新(1970-),男,河北安國(guó)人,副教授,axchen@buaa.edu.cn.