開放式套筒單極子手持天線的設(shè)計與驗證

唐世榮 喬瑋 高喜 宋浠瑜

(1.廣州海格通信集團股份有限公司,廣州 510663;2.桂林電子科技大學(xué)信息與通信學(xué)院, 桂林 541004)

開放式套筒單極子手持天線的設(shè)計與驗證

唐世榮1喬瑋2高喜2宋浠瑜2

(1.廣州海格通信集團股份有限公司,廣州 510663;2.桂林電子科技大學(xué)信息與通信學(xué)院, 桂林 541004)

設(shè)計了一種階梯結(jié)構(gòu)、集總加載的輻射體、雙弧形金屬片圍成半管狀的開放式結(jié)構(gòu)為套筒的開放式套筒單極子天線,天線具有良好的駐波比帶寬. 電磁仿真結(jié)果表明:在400～700 MHz的頻帶內(nèi),天線駐波比均優(yōu)于2,天線在水平方向的增益均值高于0 dBi. 實驗測試結(jié)果與仿真結(jié)果具有良好的一致性,證明天線具有較好的輻射性能.

開放式套筒;寬帶小型化;集總加載;階梯結(jié)構(gòu)

DOI 10.13443/j.cjors.2016031101

引 言

通信技術(shù)日新月異,移動終端以便攜式、小型化、手持式趨勢發(fā)展,對天線的輻射性能、尺寸要求也在不斷提高,高頻(High Frequency,HF)、甚高頻(Very High Frequency,VHF)、特高頻(Ultra High Frequency,UHF)頻段尤為明顯．手持式UHF天線已廣泛用于移動通信終端,相應(yīng)的天線多為單極子結(jié)構(gòu),存在工作頻帶窄、駐波比偏大、結(jié)構(gòu)尺寸大等不足．人們對單極子天線的拓寬寬帶、小型化等方面作了諸多改進工作[1-2]．例如:將單極天線安裝在較大尺寸的地板上,套筒加載能有效拓展其工作帶寬及實現(xiàn)小型化[3-4],但尺寸過大,限制了移動終端的應(yīng)用場合．文獻[5]提出一種采用雙套筒和圓錐形輻射體結(jié)構(gòu),有效縮減天線的尺寸,并得到較高的增益和良好的不圓度,但結(jié)構(gòu)復(fù)雜,加工難度大,且駐波比偏大．文獻[6]研究小半徑套筒對天線輻射性能的影響,減小套筒尺寸的同時,伴隨著壓縮駐波比帶寬,難以實現(xiàn)倍頻程的工作帶寬．文獻[7]使用矩量法對帶反射腔開式套筒進行理論分析,證明開式套筒的電磁有效性．

本文設(shè)計了一種開放式套筒加載的寬帶、小型化單極子天線．開放式套筒由一個單極子和兩個或多個副振子組成,副振子排列于單極子饋電端口周圍,且不與單極子輻射體電連接．本設(shè)計中的單極子天線輻射體采用集總加載,階梯狀結(jié)構(gòu)等方式實現(xiàn)小型化和寬帶擴展,整體結(jié)構(gòu)易于加工,適合批量生產(chǎn)．副振子為兩個弧形圍成半管狀的金屬片,此結(jié)構(gòu)能體現(xiàn)套筒的電性能,且尺寸和造型符合平板型手持終端的應(yīng)用場合．

1 設(shè)計的理論基礎(chǔ)

1.1 套筒加載

單極子為典型駐波天線,輻射體上的電流分布隨電長度或頻率變化顯著．當(dāng)天線高度h=λ/4和h=λ/2時,單極子表面電流分布如圖1(a)(b)所示．可以看出,單極子的輸入阻抗在隨著頻率的改變而發(fā)生很大的變化,單極子的阻抗帶寬將會受到很大程度的限制．如果能使饋電處的電流隨頻率變化很小,則可提高阻抗頻帶帶寬．

單極子天線單極子天線 (c)加載套筒單極子天線圖1 單極子電流分布示意圖

套筒結(jié)構(gòu)本身就具有激勵多個諧振點、拓展帶寬的特性．傳統(tǒng)意義上的套筒天線是將一段圍繞內(nèi)部輻射單元的管狀導(dǎo)體套筒與內(nèi)輻射單元組合在一起構(gòu)成加入套筒,由于單極子的耦合,套筒內(nèi)壁感應(yīng)出與套筒內(nèi)單極子上相反的電流,相當(dāng)于同軸線的外導(dǎo)體,外臂上感應(yīng)出與套筒內(nèi)單極子相同方向的電流,起輻射元的作用．此時套筒的上端能夠形成一個虛擬饋電點,加載套筒單極子天線表面電流如圖1(c)所示．通過圖1的對比可以看出,駐波比(Voltage Standing Wave Ratio,VSWR)小于4的帶寬高達倍頻．在本文所設(shè)計的手持式天線中,天線接地板呈方盒狀,套筒天線安置在金屬地板的側(cè)面,且由于套筒超過金屬地板的部分做了切面處理,在保證性能基礎(chǔ)上,結(jié)構(gòu)符合手持天線要求．

1.2 階梯狀單極子

圖2給出了本文設(shè)計天線的最終模型,由圖2(b)可看出,在沿著輻射振子的軸線方向,振子的半徑呈分段式階梯狀．這種將單極子設(shè)計成倒錐的階梯狀設(shè)計,可以拓展阻抗帶寬,同時增加分布電容性加載,增加天線的有效長度,能夠?qū)崿F(xiàn)天線小型化[8]．

(a) 天線整體主視圖、俯視圖 (b) 3D模型圖(注：gndy為地板高度，gndx為地板長度，gndz為地板寬度，r1、r2、r3、r4分別為第一、二、三、四節(jié)半徑，h1、h2、h3、h4分別為第一、二、三、四節(jié)高度)圖2 天線模型示意圖

1.3 集總電感加載

手持式移動終端天線為電小單極天線,工作頻段內(nèi)呈容性[9],饋電端口加載集總參數(shù)電感可以明顯擴寬天線的帶寬．

綜上所述,為拓寬天線的工作帶寬,可采用加載套筒,階梯狀輻射體和加載集總元件等設(shè)計．對于本文所設(shè)計的天線,套筒的設(shè)計是其中的重要環(huán)節(jié),主要考慮以下兩個方面:1)使用新型套筒后,天線性能是否改善;2)天線整體尺寸是否達到手持天線要求．

圖3 套筒天線等效電路

為了更細致地描述設(shè)計思路,圖3給出了所設(shè)計天線整體等效電路．饋電端口串聯(lián)加載集總參數(shù)電感L1,接入天線振子與套筒,套筒等效的T型匹配網(wǎng)絡(luò)(等效的電感L2,L3為非理想元器件)．階梯狀的輻射體,可認(rèn)為常規(guī)輻射體并聯(lián)分布電容C2,輻射體的電抗等效電感和電容的并聯(lián),輻射體熱損電阻暫忽略,電阻為等效輻射電阻R1．

2 天線設(shè)計、仿真及優(yōu)化

基于上述理論,我們設(shè)計一種開放式套筒階梯單極子手持天線,考慮實際使用環(huán)境,增加終端金屬盒和開放式套筒加載．天線模型如圖2所示,其中套筒依附于聚四氟乙烯材料．

值得注意的是,對于本文所設(shè)計天線,采用了有切面的圓柱形聚四氟乙烯固定弧形片和單極子．而聚四氟乙烯作為介質(zhì)會影響天線的電性能,因此對聚四氟乙烯結(jié)構(gòu)尺寸對天線電性能影響的研究也是必要的．基于仿真軟件CSTmicrowavestudio,我們改變聚四氟乙烯尺寸的相關(guān)參數(shù)對天線駐波比進行對比與分析,結(jié)果如圖4所示．在其他條件不變的情況下圖4(a)和(b)分別給出了聚四氟乙烯半徑與高度線性變化時對天線VSWR的影響對比,可以看出,聚四氟乙烯的尺寸主要對天線較高頻率處有較大影響,較低頻率影響較小．在后續(xù)的設(shè)計優(yōu)化過程中,我們可以通過改變聚四氟乙烯的尺寸,來保證天線駐波比．

(a) 聚四氟乙烯半徑對天線駐波比的影響 (b) 聚四氟乙烯高度對天線駐波比的影響圖4 聚四氟乙烯半徑和高度對天線駐波比的影響對比圖

隨后,在建立了套筒與階梯狀單極子仿真模型后,我們根據(jù)SMITH圓圖設(shè)計了所需加載的集總電感值,并進行一系列優(yōu)化．經(jīng)優(yōu)化后的具體尺寸見表1,套筒的長度為50mm,半徑為12mm．最終得到SMITH圓中的阻抗頻率曲線,如圖5所示;仿真所得天線H面內(nèi)400MHz、550MHz、700MHz的遠場輻射圖,如圖6所示．可以看出:天線的阻抗曲線在SMITH圓中,均位于VSWR=2的圓內(nèi),說明開放式套筒階梯狀單極子手持天線在工作頻率400～700MHz內(nèi),有良好的阻抗匹配特性．該天線為水平全向性,水平面內(nèi)具有較好的方向圖特性,平均增益大于0dBi．為證實開放式套筒加載方法的優(yōu)越性,我們對無套筒加載、開放式套筒加載以及非開放式套筒加載三種天線形式的駐波比進行對比,其結(jié)果如圖7所示．從圖中可看出,當(dāng)加載開放式套筒及非開放式套筒時,天線的駐波比帶寬得到了極大的拓展．另一方面,對于開放式套筒加載和非開放式套筒加載兩種情況,天線的駐波特性沒有明顯的變化,這恰恰說明非開放式套筒加載的有效性．為進一步研究階梯狀輻射體的駐波特性,我們將其與非階梯結(jié)構(gòu)的駐波比進行對比,結(jié)果如圖8所示．圖中清晰表明,階梯結(jié)構(gòu)天線的駐波比小于2的工作帶寬為500 MHz(350～850 MHz),而等半徑結(jié)構(gòu)的相應(yīng)帶寬為295 MHz(350～645 MHz),其駐波比帶寬增加了205 MHz．

表1 仿真模型中的參數(shù)值 單位:mm

圖5 仿真得到的SMITH圓圖

圖6 天線遠場輻射H面方向圖

圖7 三種天線形式仿真的駐波比曲線對比

圖8 階梯狀和等半徑圓柱輻射體的仿真駐波比曲線對比

3 實測驗證

為驗證理論分析與設(shè)計仿真的正確性,我們加工了樣機天線并對其進行了相關(guān)測試驗證．利用矢量網(wǎng)絡(luò)分析儀對天線的駐波比進行測試,結(jié)果如圖9所示．圖中顯示,在350～700 MHz的頻率范圍內(nèi),測量曲線與仿真曲線的趨勢相同,且在重要拐點的駐波比也很接近．該天線加工過程中,地板和電感均由手工制作,所以諧振頻率的略微偏差可以歸結(jié)為加工與測試誤差．

圖9 實驗測試與仿真駐波比對比

4 結(jié) 論

本文設(shè)計一種開放式套筒階梯狀變化的半徑單極子手持天線,并采用集總加載,階梯狀輻射體等方式有效實現(xiàn)天線的小型化和帶寬化．實驗和仿真結(jié)果表明,400～700 MHz的工作頻段內(nèi),天線駐波比小于2．天線在水平面內(nèi)的平均增益大于0 dB．該天線結(jié)構(gòu)簡單,易于加工,在UHF手持移動終端的應(yīng)用中具有獨特的優(yōu)越性．

[1] 阮成禮, 王春. 小型化準(zhǔn)分形加載單極子天線[J]. 電波科學(xué)學(xué)報, 2006, 21(5): 727-730.

RUAN C L, WANG C. A miniature quasi-fractal monopole loaded antenna[J]. Chinese journal of radio science, 2006, 21(5): 727-730.(in Chinese)

[2] 馬漢清, 褚慶昕. 一種集總元件加載的寬帶小型化多臂折疊天線[J]. 電波科學(xué)學(xué)報, 2009, 24(1): 50-54.

MA H Q, ZHU Q X. A lumped element loaded wideband compact multiple-arm folded antenna[J]. Chinese journal of radio science, 2009, 24(1): 50-54.(in Chinese)

[3] GUO J, JI Y, LIU Q. Sleeve monopole antennas at the center of a circular ground plane[J]. Microwave and optical technology letters, 2003, 38(4): 341-343.

[4] WERNER D H. A method of moments approach for the efficient and accurate modeling of moderately thick cylindrical wire antennas[J]. IEEE transactions on antennas and propagation, 1998, 46(3): 373-382.

[5] 王忍, 俞鈺峰, 馮建杰. 一種寬帶高增益雙套筒單極子天線[J]. 通信對抗, 2013, 32(4): 43-46.

WANG R, YU Y F, FENG J J. A novel ultra-wideband high gain double-sleeve monopole antenna[J]. Communication countermeasures, 2013, 32(4): 43-46.(in Chinese)

[6] 康文臣, 趙智兵. 一種新型寬帶鞭狀套筒天線[J]. 無線電工程, 2014, 44(3): 57-60.

KANG W C, ZHAO Z B. A novel broadband flagelliform sleeve antenna[J]. Radio engineering of China, 2014, 44(3): 57-60.(in Chinese)

[7] 陳世斌, 宋錚. 帶反射腔開式套筒天線方向圖計算[J]. 電波科學(xué)學(xué)報, 1997, 12(4): 401-406.

CHEN S B, SONG Z. The calculation of the pattern of sleeve dipole antenna with reflective cavity[J]. Chinese journal of radio science, 1997, 12(4): 401-406.(in Chinese)

[8] 鞏冰. 感性加載的小型化天線和極寬帶天線分析與設(shè)計[D]. 西安: 西安電子科技大學(xué), 2013.

GONG B. Analysis and design of inductively loaded miniature antennas and extremely wideband antennas[D]. Xi’an: Xidian University, 2013(in Chinese)

[9] 周朝棟. 電小天線[M]. 西安: 西安電子科技大學(xué)出版社, 1990: 16-28.

Design and demonstration of open-ended sleeve handheld antennas

TANG Shirong1QIAO Wei2GAO Xi2SONG Xiyu2

(1.GuangzhouHaigeCommunicationsGroupIncorporatedCompany,Guangzhou510663,China;2.SchoolofInformationandCommunication,GuilinUniversityofElectronicTechnology,Guilin541004,China)

An open-ended sleeve antenna loaded with a stepped structure and lumped element is designed. The antenna possesses good voltage standing wave ratio(VSWR) bandwidth. The electromagnetic simulation results show that the VSWR of the proposed antenna is less than 2 in the frequency range from 400 MHz to 700 MHz, and the horizontal gain is greater than 0 dBi. The antenna is also fabricated to demonstrate its performance. The experimental results have good agreement with simulation ones.

open-ended sleeve; wideband and miniaturization; lumped loaded; stepped structure

2016-03-11

國家基金(61461016)；廣西自然科學(xué)基金(2014GXNSFAA118366)；廣西自然基金滾動基金(2015jjBB7002)

10.13443/j.cjors.2016031101

TN82

A

1005-0388(2017)01-0079-05

唐世榮 (1982—),男,湖南人,碩士,主要從事天線與電磁兼容研究．

喬瑋 (1991—),男,河南人,碩士,主要研究方向為天線小型化．

高喜 (1976—),男,湖南人,博士,教授,碩士生導(dǎo)師,主要從事超材料以及天線設(shè)計方面研究．

宋浠瑜 (1984—),女,廣西人,碩士,主要從事光電材料及相關(guān)研究．

聯(lián)系人： 高喜 E-mail：Gao_xi76@163.com

唐世榮,喬瑋,高喜,等. 開放式套筒單極子手持天線的設(shè)計與驗證[J]. 電波科學(xué)學(xué)報， 2017，32(1)：79-83.

TANG S R,1 QIAO W, GAO X, et al. Design and demonstration of open-ended sleeve handheld antennas [J]. Chinese journal of radio science,2017，32(1)：79-83.(in Chinese). DOI: 10.13443/j.cjors.2016031101