一款新型寬帶小型化單極天線設(shè)計

熊長偉，魏福顯

（中國電波傳播研究所，河南 新鄉(xiāng) 453003）

一款新型寬帶小型化單極天線設(shè)計

熊長偉，魏福顯

（中國電波傳播研究所，河南 新鄉(xiāng) 453003）

單極天線具有全向輻射、高效率等諸多優(yōu)點，被廣泛應(yīng)用于通信、監(jiān)測領(lǐng)域。文章利用結(jié)構(gòu)變形技術(shù)結(jié)合加載技術(shù)設(shè)計出一款新型寬帶小型化單極天線，在800～3 000 MHz頻帶具有平坦的阻抗特性以及輻射特性。

單極天線；矩量法；小型化

隨著寬帶無線電通信、監(jiān)測系統(tǒng)的快速發(fā)展，寬帶、小型化天線成為當(dāng)前研究的熱點。寬帶平板單極天線是由G·Dubost等[1]首先在1976年提出，通過不斷優(yōu)化結(jié)構(gòu)來展寬阻抗帶寬，主要結(jié)構(gòu)有：矩形、圓盤或橢圓形、倒錐形等，偏置饋電[2]、耦合饋電、短路或切角技術(shù)結(jié)合等[3]是拓寬天線帶寬的有效方法。

基于以上研究，文章提出一種新穎的錐狀單極天線形式。通過優(yōu)化錐角、饋電面以展寬天線頻帶寬度，優(yōu)化加載位置實現(xiàn)天線小型化。仿真計算及實測結(jié)果證明上述方法具有有效性，800～3 000 MHz內(nèi)天線駐波比小于2.5。

1 矩量法

矩量法[4-7]是求解麥克斯韋方程行之有效的數(shù)值方法，用矩量法分析天線問題，可以用電場積分方程（EFIF），也可以用磁場積分方程（MFIF）。磁場積分方程計算較簡單，但是只能處理封閉的散射問題；電場積分方程既可以處理封閉體，也可以處理開放體，但計算稍復(fù)雜。

于是得到：

tan指沿表面切線方向。

2 天線設(shè)計

盤錐天線[8]（見圖1）結(jié)構(gòu)簡單，具有良好的頻帶特性，通常情況下盤錐天線的頻帶寬度為8倍頻，工作于VHF和UHF頻段。

圖1 盤錐天線示意

這種結(jié)構(gòu)形式遠遠不能滿足小型化系統(tǒng)的要求，因此本文提出一種新的模型，如圖2所示，以同時滿足寬帶化、小型化的要求。

圖2 新型盤錐天線示意

2.1 錐角θ及短路角?優(yōu)化

根據(jù)天線原理，射頻電流沿輻射體表面輻射，因此改變輻射體形狀會引起天線輸入阻抗變化，通過對錐角θ及短路角?進行優(yōu)化，最終得出以下結(jié)構(gòu)參數(shù)：

2.2 計算結(jié)果

天線三維模型如圖3所示，對立體模型進行三角形剖分，利用矩量法進行仿真計算即可得出阻抗、方向性等參數(shù)。天線駐波比隨頻率變化曲線如圖4所示（平滑曲線為實測結(jié)果，波點曲線為仿真結(jié)果），計算所得的天線典型方向如圖5所示。

圖3 三維模型

圖4 駐波比曲線

圖5 典型方向

3 結(jié)語

本文在深入研究超寬帶天線原理的基礎(chǔ)上，結(jié)合數(shù)值算法，設(shè)計出一款寬頻帶、低輪廓單極天線，具有較高的理論及使用價值。最終的仿真及試驗結(jié)果證明了本文方法的有效性。

[1]DUBOST G，ZISLER S.Antennas a large Bande[M].New York：Masson，1976.

[2]尹訓(xùn)才.應(yīng)用與現(xiàn)代超寬帶脈沖無線電系統(tǒng)的超寬帶天線研究[D].成都：電子科技大學(xué)，2009.

[3]鄧宏偉.超寬帶平面微帶天線研究[D].南京：南京航空航天大學(xué)，2009.

[4]哈林頓.計算電磁場的矩量法[M].北京：國防工業(yè)出版社，1981.

[5]吳先良，焦丹，王良知.用積分方程求解散射體自然頻率的新方法[J].電子科技大學(xué)學(xué)報，1997（4）：374-377.

[6]華夷和，徐金平.電場積分方程矩量法中具有局部連續(xù)性的基函數(shù)積分奇異性降階處理[J].電子與信息學(xué)報，2003（10）：1436-1440.

[7]王少剛，關(guān)鑫璞，王黨衛(wèi)，等.求解電場積分方程的高階矩量法[J].電子與信息學(xué)報，2007（9）：2265-2268.

[8]山團彪，雷振亞，謝擁軍，等.超寬帶盤錐天線的設(shè)計[J].電訊技術(shù)，2011（1）：93-97.

Design of a novel broadband monopole antenna

Xiong Changwei, Wei Fuxian
（China Research Institute of Air Waves Propagation, Xinxiang 453003, China）

Monopole antenna has advantages of omini-directional radiation、high efficiency, which is widely used in the field of communication and monitoring. In this paper, structural deformation technique combined with loading technology was used to create a new type of broadband miniaturized monopole antenna, which had characteristics of fat impedance and radiation in the 800 MHz to 3 000 MHz band.

monopole antenna; moment method; miniaturization

熊長偉（1982— ），男，河南焦作，碩士，工程師；研究方向：寬帶天線設(shè)計，射頻電路設(shè)計。