一款共面波導(dǎo)饋電單極子天線的設(shè)計(jì)

鄒 彬，王 偉，趙澤西，華 偉

(1.四川大學(xué) 電子信息學(xué)院，四川 成都 610065；2.中國(guó)民航局 第二研究所，四川 成都 610041)

一款共面波導(dǎo)饋電單極子天線的設(shè)計(jì)

鄒 彬1，王 偉2，趙澤西2，華 偉1

(1.四川大學(xué) 電子信息學(xué)院，四川 成都 610065；2.中國(guó)民航局 第二研究所，四川 成都 610041)

文中設(shè)計(jì)了一種工作在頻段1～1.2 GHz采用共面波導(dǎo)(CPW)饋電的貼片單極子天線。該貼片天線印刷在相對(duì)介電常數(shù)4.5，厚度為1.6 mm的FR4的介質(zhì)板上，背面添加的金屬反射板確保天線的定向性指標(biāo)達(dá)到設(shè)計(jì)的要求。仿真使用基于有限差分的三維電磁仿真軟件，設(shè)計(jì)的貼片天線回波損耗、方向圖等參數(shù)達(dá)到要求的指標(biāo)。對(duì)該天線回波損耗的實(shí)際測(cè)量結(jié)果和仿真結(jié)果對(duì)比表明，在整個(gè)目標(biāo)頻段內(nèi)吻合較好，滿足設(shè)計(jì)指標(biāo)要求。

定向輻射；平面單極子；共面波導(dǎo)(CPW)

天線廣泛應(yīng)用于通訊、雷達(dá)、導(dǎo)航、廣播、遙測(cè)和天文等領(lǐng)域，在通信中有著非常重要的作用。近年來(lái)，隨著民用航空的發(fā)展，機(jī)場(chǎng)飛機(jī)起降頻率大幅度升高，機(jī)載通信設(shè)備數(shù)量大、種類(lèi)多，由于頻率、幅度不同的各種電磁信號(hào)使得機(jī)場(chǎng)電磁環(huán)境日益復(fù)雜，針對(duì)不同應(yīng)用的天線提出更高的要求，不僅滿足高質(zhì)量的發(fā)射接收信號(hào)的需求，還要具有較強(qiáng)的電磁兼容性(EMC)性能。具備定向輻射性能的定向天線，由于在一定的方向內(nèi)發(fā)射和接收信號(hào)，可在保證高質(zhì)量的通信的同時(shí)，減弱其他方向設(shè)備的干擾，避免對(duì)其他電子設(shè)備的干擾影響。

平面印刷單極子天線以其結(jié)構(gòu)簡(jiǎn)單，加工容易，造價(jià)低廉等優(yōu)點(diǎn)受到廣泛的關(guān)注[1-5]。共面波導(dǎo)(CPW)饋電方法具有結(jié)構(gòu)簡(jiǎn)單緊湊，阻抗匹配易實(shí)現(xiàn)等優(yōu)點(diǎn)[6-10]。常規(guī)的單極子天線帶寬通常在5%以下，屬于窄帶天線，要實(shí)現(xiàn)帶寬在10%以上，需要對(duì)天線的結(jié)構(gòu)進(jìn)行優(yōu)化，采用漸變結(jié)構(gòu)能在不大幅度改變天線結(jié)構(gòu)的基礎(chǔ)上，提高工作頻率的帶寬[5,11-14]。單極子天線的方向圖在H面為全向輻射，為了讓天線具備定向輻射的特性，采取背面增加反射板這種常見(jiàn)的方式來(lái)提高天線的方向性，減小背向輻射[15]。根據(jù)該天線是機(jī)場(chǎng)用于定向接收跑道方向上飛機(jī)起飛和降落時(shí)的應(yīng)答機(jī)信號(hào)，本文設(shè)計(jì)了一款共面波導(dǎo)饋電的定向單極子天線，由單極子天線和金屬反射背板兩部分構(gòu)成。利用電磁仿真軟件對(duì)天線各部分參數(shù)進(jìn)行仿真分析和優(yōu)化，研究尺寸等參數(shù)對(duì)天線回波損耗、輻射方向圖的影響，并實(shí)際測(cè)量。將實(shí)際測(cè)量結(jié)果與仿真結(jié)果對(duì)比表明，天線在整個(gè)目標(biāo)頻段內(nèi)吻合較好，滿足設(shè)計(jì)指標(biāo)要求。

1 單極子天線仿真分析與測(cè)試

設(shè)計(jì)的天線工作頻段要求在1～1.2 GHz，中心頻率1.09 GHz。根據(jù)天線的指標(biāo)要求，單極子天線部分包括輻射貼片和共面波導(dǎo)組成，制作于相對(duì)介電常數(shù)為4.5，長(zhǎng)度465 mm，寬度60 mm，厚度1.6 mm的FR4介質(zhì)基板上。

圖1 單極子天線的結(jié)構(gòu)

使用三維電磁場(chǎng)仿真軟件對(duì)單極子天線進(jìn)行建模仿真，其平面結(jié)構(gòu)圖，如圖1所示。為了提高天線的工作頻段寬度，對(duì)天線的貼片作漸變處理，貼片的長(zhǎng)度L2取75 mm，L3取100 mm，L4取170 mm，寬W2取40 mm，W3取50 mm 。為了抑制非工作頻段內(nèi)相鄰的諧振頻帶的干擾，在天線的頂端做了切角和開(kāi)槽的處理[12]，其中切角的邊長(zhǎng)L5為119 mm，凹槽結(jié)構(gòu)中矩形貼片的尺寸Lp為26 mm，Wp為19 mm。天線通過(guò)50 Ω的SMA同軸電纜連接共面波導(dǎo)進(jìn)行饋電，為實(shí)現(xiàn)天線與同軸電纜阻抗較好的匹配，經(jīng)仿真優(yōu)化，將共面波導(dǎo)的中心帶的寬度取2 mm，長(zhǎng)度取100 mm，與兩接地帶的間隔均為1 mm，接地帶的長(zhǎng)度L1為90 mm，寬度W1為28 mm。

圖2 回波損耗與CPW的關(guān)系

在傳統(tǒng)共面波導(dǎo)的結(jié)構(gòu)形式上增加半徑R1為16 mm的圓形貼片，其中接地帶側(cè)的圓弧R2為20 mm，能較大幅度的增加電流的路徑，將諧振的頻帶向低頻調(diào)整。圖2所示為優(yōu)化前與優(yōu)化后的回波損耗S11曲線對(duì)比，從中可以發(fā)現(xiàn)在增加該圓形貼片后，天線的諧振頻率調(diào)整到了所需的工作頻段1.09 GHz，同時(shí)也達(dá)到阻抗匹配的目的。

根據(jù)以上結(jié)構(gòu)參數(shù)的仿真優(yōu)化得到天線尺寸數(shù)據(jù)，加工制作了平面單極子天線的實(shí)物，如圖3所示。隨后使用矢量網(wǎng)絡(luò)分析儀對(duì)天線的回波反射特性進(jìn)行了測(cè)試，在頻段1.03～1.2 GHz內(nèi)，S11<-10 dB。將實(shí)際測(cè)量的結(jié)果與仿真數(shù)據(jù)進(jìn)行了對(duì)比，如圖4所示。從圖中可以看出，實(shí)際測(cè)量的回波損耗S11參數(shù)與仿真的結(jié)果在頻段1～1.2 GHz內(nèi)近似吻合，滿足設(shè)計(jì)指標(biāo)要求。

圖3 單極子天線實(shí)物

圖4 實(shí)測(cè)與仿真S11對(duì)比

2 天線反射板設(shè)計(jì)

設(shè)計(jì)的天線要求在水平斜上和水平斜下的輻射方向上的增益>5dBi，半功率波瓣寬度<40°。根據(jù)要求，在單極子天線的背面增加了一塊長(zhǎng)Lr為590 mm，寬Wr為400 mm的金屬反射板和長(zhǎng)度為400 mm，寬度為120 mm的底板，反射板與底板垂直連接。根據(jù)該天線的應(yīng)用場(chǎng)景為戶(hù)外環(huán)境，需要將防水、架設(shè)等因素增加到天線的設(shè)計(jì)中，在結(jié)構(gòu)上增加相對(duì)介電常數(shù)為4，內(nèi)半徑31 mm，外半徑32 mm的玻璃鋼外罩，兩端采用內(nèi)半徑32 mm，厚度2 mm金屬環(huán)固定，并通過(guò)半徑為5 mm的金屬支桿與反射板固定。天線的平面正視圖和立體視圖，如圖5所示。

圖5 天線正視圖和立體圖

圖6 回波損耗與反射板的關(guān)系

在增加反射板、外罩和連接結(jié)構(gòu)后，將天線的回波損耗S11曲線與增加前對(duì)比，如圖6所示?？梢钥闯鲈谠黾臃瓷浒搴?，天線的S11曲線在1.4 GHz出現(xiàn)了一個(gè)頻帶較窄的諧振頻段，在其他頻段天線的回波損耗曲線變化不大，不影響天線的設(shè)計(jì)工作頻率，符合設(shè)計(jì)要求。

單極子天線與金屬反射背板之間的距離能直接影響天線的輻射方向，通過(guò)仿真優(yōu)化，當(dāng)距離為60 mm時(shí)，天線的波瓣分為兩瓣，水平斜上和水平斜下。圖7所示為天線在1.09 GHz時(shí)的方向圖，圖7(a)為無(wú)反射板時(shí)的方向圖，圖7(b)圖為增加反射板后的方向圖，其中實(shí)線表示E面方向圖，虛線表示H面方向圖。從圖7(a)中可以看出，天線在1.09 GHz處H面為全向輻射，E面方向圖中主要輻射方向朝向兩側(cè)。圖7(b)中所示為增加反射板后天線的方向圖，H面的方向圖發(fā)生了變化，E面方向圖朝向一側(cè)，在50°方向(水平斜上)，3 dB帶寬29.5°，增益7.9 dBi，在315°方向(水平斜下)，3 dB帶寬35°，增益6 dBi，均滿足>5 dBi的設(shè)計(jì)指標(biāo)。

3 結(jié)束語(yǔ)

根據(jù)天線的實(shí)際應(yīng)用場(chǎng)景及指標(biāo)要求，基于平面單極子天線，設(shè)計(jì)了一種以共面波導(dǎo)饋電的平面單極子天線，通過(guò)增加金屬反射板實(shí)現(xiàn)天線的定向性要求，結(jié)構(gòu)上增加了玻璃鋼材質(zhì)的保護(hù)罩，以適應(yīng)惡劣的戶(hù)外環(huán)境。在天線的設(shè)計(jì)過(guò)程中，根據(jù)指標(biāo)要求，采用了漸變結(jié)構(gòu)、調(diào)整共面波導(dǎo)等方法優(yōu)化天線的頻帶特性并對(duì)其進(jìn)行了研究分析。通過(guò)調(diào)整金屬反射背板與單極子天線之間的距離，根據(jù)仿真優(yōu)化，得到了滿足要求的取值。最后根據(jù)優(yōu)化結(jié)果所得的結(jié)構(gòu)參數(shù)制作了單極子天線。經(jīng)實(shí)際測(cè)量，該天線在1.03～1.2 GHz，S11< -10 dB，與仿真數(shù)值近似吻合，滿足設(shè)計(jì)要求。

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Design of a CPW-fed Monopole Antenna

ZOU Bin1,WANG Wei2,ZHAO Zexi2,HUA Wei1

(1.School of Electronic Information Institute,Sichuan University,Chengdu 610065,China；2. The Second Research Institute of CAAC,Chengdu 610041,China)

A coplanar waveguide(CPW)-fed monopole antenna working at 1～1.2 GHz is designed which is printed on a FR4 plate with a thickness of 1.6mm and a dielectric constant of 4.5. The directivity of the antenna matches well to the desired parameters with an added metal reflector behind the antenna. Three dimensional electromagnetic simulation software was used to optimize the parameters of the antenna. The return loss and the pattern of the designed antenna reaches the desire ones. The monopole antenna is manufactured and tested. The comparison with tested results and the simulation ones shows the good agreements with the design requirements in whole target frequency range.

directional radiation; planar monopole ; coplanar waveguide (CPW)

2017- 03- 24

自然科學(xué)基金民航聯(lián)合基金(U1433129,U1633129)

鄒彬(1985-)，男，碩士研究生。研究方向：電磁場(chǎng)與微波技術(shù)。王偉(1983-)，男，副研究員。研究方向：通信導(dǎo)航監(jiān)視系統(tǒng)。趙澤西(1988-)，男，碩士，助理研究員。 研究方向：通航機(jī)載監(jiān)視系統(tǒng)設(shè)計(jì)、嵌入式系統(tǒng)開(kāi)發(fā)與測(cè)試。華偉(1967-)，男，博士，副教授。研究方向：電磁場(chǎng)與微波技術(shù)。

TN821

A

1007-7820(2018)02-032-03