寬帶寄生單極天線設計

周彬,逯貴禎,胡宇鳴

(中國傳媒大學信息工程學院,北京100024)

1 引言

通信技術的發(fā)展對現(xiàn)代通信系統(tǒng)提出了更高的要求,不僅要求高質量地傳輸語言、文字、圖像、數(shù)據(jù)等信息,而且要求設備寬帶化、小型化、通用化。因為無線通信系統(tǒng)信道容量不斷擴充、傳輸速率不斷提高的需求要求通信設備的寬帶化,同時系統(tǒng)集成化和設備便攜性的需求要求通信設備的小型化,寬帶小型天線應運而生。

傳統(tǒng)的超寬帶天線,如對數(shù)周期天線、阿基米德螺旋天線、等角螺旋天線以及它們的變形等,不是天線結構過于復雜就是饋電網(wǎng)絡設計復雜[1-4]。單極子天線具有結構簡單,體積小,易于加工、安裝以及全向輻射等特點,但是高度有限的無加載單極天線的帶寬相對較窄[5-8]。本文所研究的新型加載寬帶線天線是一種通過對天線加載寄生單元,然后對振子排列組合而產(chǎn)生寬帶頻段的單極天線。借助Ansoft HFSS電磁仿真軟件,通過對影響天線性能的主要因素進行理論分析、優(yōu)化仿真后得到適于加工的天線模型。仿真及實驗研究表明:該天線系統(tǒng)在保持單極子天線優(yōu)良特性的同時,工作頻段在60M-210MHz,實現(xiàn)了寬帶特性。

2 理論分析

文獻[1]給出了設計經(jīng)驗:

(1)簡單的振子組合也可以有寬帶效果,不同的振子可以在不同的頻率發(fā)生諧振,如果振子的諧振點比較近,則可以實現(xiàn)寬帶效果;

(2)對稱的天線結構可能具有水平全向的輻射特性;

(3)對天線進行加載可以使天線在有限的尺寸內(nèi)實現(xiàn)寬帶化;

(4)對于振子天線來說,振子的直徑、長度等是影響其諧振點的主要因素。

假設長振子長度為L。,短振子長度為L,根據(jù)單極子天線的基本理論,它們所對應的頻帶范圍大約為:

4c/L1 ＜f＜4c/L2(式中c為光速)

從上式中可以看到,天線的帶寬受到振子長度的限制。

天線由于引入了近似無限大導體面使得振子的長度約為 λ0/4;天線的頻帶寬度約為(4c/L1,4c/L2),其中L1、L2分別為長振子和短振子的長度。天線尺寸還不能滿足天線寬帶及小型化的要求,需要進一步采用上述展寬頻帶的技術[2]來實現(xiàn)天線的設計目標。

天線的性能受多種因素的影響。這里對影響天線性能的主要參數(shù)進行分析,期望找出影響天線性能的參數(shù)的規(guī)律,為寬帶天線設計提供參考。經(jīng)過仿真,發(fā)現(xiàn)影響天線的主要因素有以下幾個方面:單極子長度、單極子半徑、長短振子間距、加載圓片與否以及加載電阻的大小及位置,下面對這些因素進行簡要分析。

(1)單極子長度對天線性能的影響。

(2)增加單極子的直徑,降低振子的長度直徑比(簡稱長細比),輸入阻抗隨著頻率變化的敏感性也隨之減小,從而改善阻抗的頻帶特性。

(3)在長振子頂部采用圓盤加載,增大頂端對地的分布電容,實質上是通過改變天線上電流分布而降低諧振頻率,來實現(xiàn)小型化。

(4)相鄰兩振子之間采用電阻加載,使天線在較小尺寸的情況下實現(xiàn)寬帶的指標。

根據(jù)半波振子理論可知,天線長度直接影響諧振頻率,例如半波振子的長度為l,波長為2l,則諧振頻率為fo=c/2l,若增加此天線長度l,fo就會隨之減小;減小天線長度Z,就會使fo變大,該理論同樣適合于本文所研究的天線。長振子長度越長,則天線的帶寬會向低頻端偏移;長振子長度越短,則天線的帶寬會向高頻端偏移。短振子與長振子規(guī)律一樣。

(5)長短振子間距對天線性能的影響。

由于本文所討論的天線是由三個單極子組成的,所以單極子之間的耦合必然是影響天線的一個重要因素。當天線之間的耦合合適時,天線在較寬的頻帶范圍內(nèi)都能有較好的阻抗特性,可以實現(xiàn)寬帶化。

這里設計的天線采用50Ω的同軸線進行饋電,要求天線在頻帶(fL,fH)上的反射損耗能夠小于-10dB,那么天線的各個結構參數(shù)也隨之確定。

文獻[1]給出反射損耗S11小于-10dB時天線參數(shù)設計的理論公式:地板半徑r:

饋電振子長度h

寄生振子長度l

比例因子 τ

式(2-1)-(2-4)只是給出理論公式,在確定天線各元素的具體尺寸時,還需要進行仿真優(yōu)化以及在制作和測試的過程中加以修正。

3 仿真及實現(xiàn)

天線物理參數(shù)為三個單極子半徑均為r=4mm,長振子高度h=235mm,短振子高度l=120mm,長短振子間距w=13mm,加載電阻阻值R=250Ω,與地板距離n=50mm,頂端加載圓片半徑m=20mm。饋電方式是以同軸線對天線系統(tǒng)進行饋電。

經(jīng)過改進得到短波寬帶天線的基本模型,如圖2所示。

添加電阻需要在長短振子之間的特定位置上添加與兩振子相切的矩形平面。因為矩形平面與圓柱體相切時僅有一個切點,兩振子之間無法加載電阻,需要對天線模型進行改進:將圓柱形的天線振子改為長方體結構,采用邊長為7mm的長方體代替原來半徑為4mm的圓柱體,由于振子的半徑遠小于振子長度,故這一改進對天線性能不會產(chǎn)生較大影響。改進后的天線仿真模型如圖3所示。

圖3 改進后的天線仿真模型

天線的長振子和短振子的長度分別決定了fH和fL的大小,同時天線的頻帶范圍可近似由(4c/L1,4c/L2)得到,其中L1、L2分別是長振子和短振子的長度;故欲降低工作頻率的同時保證寬頻帶,就必須增加長短振子的長度以及長短振子的長度差距;長振子頂部的圓盤半徑也與天線頻率有關:圓盤半徑增大,頂部分布電容增大,天線頻率降低。

根據(jù)以上規(guī)律,在仿真中優(yōu)化各項參數(shù),使得工作頻段達到了60MHz—220MHz,基本滿足了天線的設計要求。優(yōu)化后的天線設計參數(shù)為:長振子高度為930mm,短振子長度為270mm,振子邊長為7mm,兩振子間距為13mm,加載電阻高度為155mm,電阻值為125Ω,加載圓盤半徑為30mm,圓盤厚度為1mm?；夭〒p耗的仿真結果見圖4。

圖4 修改參數(shù)后的反射損耗

上述優(yōu)化的天線模型已經(jīng)滿足了設計要求,接下來要考慮的是如何實現(xiàn)的問題。天線的三個振子可利用拉桿天線制作,因為拉桿天線的長度可變,便于對振子長度的修改,且拉桿天線成本較低,易于控制設計成本;將三個振子立于采用同軸饋電的金屬板上,中間長振子頂端加圓盤,長短振子間加電阻。

實際實現(xiàn)的難題是:在拉桿天線間加載電阻不容易實現(xiàn),且在拉桿天線頂端加載圓盤也存在困難,由于天線振子最長的為930mm,振子長度過長,當天線立于金屬板時,三陣子在重心影響下無法處于完全平行,這對天線性能有影響。所以需要對天線模型進行進一步修改。

圖5 天線模型

由于用拉桿天線制作的天線振子不利于固定,在不改變前面的設計思路的前提下,設法為振子制作一個依托,要求此依托對天線性能影響很小,圓盤和電阻可以做在依托上,與天線振子相連接,這樣可以將空間中的振子天線制作成以介質板為依托的微帶貼片天線。

將天線模型由單極天線改成微帶天線后,三振子形狀由圓柱形振子改為矩形振子,振子長度不變,長振子長度仍為930mm,短振子長度仍為270mm,振子寬度均為10mm,兩振子間距仍為13mm,圓盤改為振子頂端的長方形平面,長度為30mm,寬度為5mm,電阻位置不變,離地高度為155mm,阻值仍為125Ω。

使用仿真軟件經(jīng)過仿真優(yōu)化得到了天線結構(見圖5),天線物理參數(shù)值為:W=0.8m,L=1m,r=0.7m,h=0.93m,R=0.45m,l=0.27m,l1=0.155m。

4 結論

本文對文獻[1]中的天線結構進行改進,以單極子天線設計理論和設計方法為基礎設計了新型寬帶寄生單極天線,對影響天線性能的主要因素進行了分析,同時對天線的仿真模型進行了優(yōu)化,并加工制作了天線實物。

結果表明:實際制作的天線小于-10dB的頻率范圍為60MHz～210MHz。由圖7可以看出天線回波損耗仿真與實測結果總體趨勢一致,但是仿真與實測曲線尚有距離,這與測試支架上沒有加金屬寄生單元(實物不容易實現(xiàn))有很大的關系、饋電點焊接不精確導致了阻抗失配、實測地板與仿真地板尺寸有差別、拉桿天線由于重力作用無法完全直立等等都影響著測試結果。但是,仿真與實測曲線的趨勢是一致的,仍能較好反映天線正常工作所需各項指標。本文設計的新型加載寬帶線天線具有尺寸較小、寬帶化效果明顯、水平全向、結構簡單、便于加工的特點,在廣播電視通信領域以及移動通信領域都有著廣泛的應用前景。

[1]鐘玲玲,邱景輝,張寧.新型加載寬帶線天線研究[J].系統(tǒng)工程與電子技術.2008,30(10):1864-1868.

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