一種加載可變電感的電小單極子天線設(shè)計(jì)

魏 聰，陳 星

(四川大學(xué) 電子信息學(xué)院，四川 成都 610065)

0 引言

印刷單極子天線[1-3]由于其低成本、低剖面[4-6]、易于制造以及其全向輻射方向圖特性而被廣泛應(yīng)用于各種通信中。隨著無(wú)線通信技術(shù)的不斷發(fā)展，對(duì)于收發(fā)信號(hào)的天線也提出了更高的要求，龐大笨重的天線顯然無(wú)法滿足實(shí)際需要。例如在一些短波/超短波無(wú)線通信的應(yīng)用場(chǎng)景中，人工背負(fù)通信設(shè)備對(duì)天線尺寸就有十分嚴(yán)苛的要求，要求設(shè)計(jì)為便攜天線。由于短波/超短波的波長(zhǎng)可長(zhǎng)達(dá)數(shù)米至數(shù)百米，為了便于攜帶就必須將短波/超短波天線設(shè)計(jì)為電小天線[7-8]，即天線尺寸需要遠(yuǎn)小于工作波長(zhǎng)，才能便于集成和縮小占地空間。

目前國(guó)內(nèi)外已經(jīng)提出了很多方法來(lái)減小天線的尺寸，Choi等人提出了用于VHF頻段的小型折疊偶極子天線[7]，使用折疊技術(shù)減小天線的物理尺寸。一些研究中使用了具有超材料加載[8]和開槽接地結(jié)構(gòu)的方法使天線小型化[9-10]。另外還有使用高介電常數(shù)的介質(zhì)基板、輻射元件的分形、缺陷微帶結(jié)構(gòu)(DMS)、缺陷接地結(jié)構(gòu)(DGS)或它們的組合來(lái)縮小天線的尺寸[11-15]。

本文使用了開槽、彎曲折疊線以及電感加載[16]的組合方法設(shè)計(jì)了一種頻率可變的電小單極子天線，通過(guò)在彎曲折疊線的基礎(chǔ)上加載電感，進(jìn)一步降低了天線諧振頻率，為天線的小型化提出了一種新的設(shè)計(jì)思路。

1 天線結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)

在電小天線的設(shè)計(jì)過(guò)程中，設(shè)計(jì)圍繞的核心是如何在有限的天線結(jié)構(gòu)上，引入更長(zhǎng)的電流流動(dòng)路徑，從而使得天線的工作頻點(diǎn)降到更低的頻段，實(shí)現(xiàn)小型化。本文的設(shè)計(jì)思路是在不增大天線物理尺寸的前提下，對(duì)輻射貼片進(jìn)行開槽和彎曲折疊來(lái)延長(zhǎng)輻射貼片上的電流流動(dòng)路徑，然后通過(guò)電感加載抵消低頻處的容抗，通過(guò)改變電感值來(lái)調(diào)節(jié)天線工作頻點(diǎn)，從而實(shí)現(xiàn)單極子天線的寬帶變頻以及小型化。

天線結(jié)構(gòu)示意圖如圖1所示，在傳統(tǒng)的單極子天線基礎(chǔ)上，進(jìn)行了開槽和引入彎曲折疊線，從而增加天線表面的電流流動(dòng)路徑。貼片和接地平面由厚度為0.035 mm的銅片制成，通過(guò)50 Ω微帶線連接SMA接頭進(jìn)行饋電。

(a) 天線正面

對(duì)天線部分結(jié)構(gòu)參數(shù)進(jìn)行了掃參分析，分別是天線背面地的長(zhǎng)度Lg、饋電微帶線的寬度W4、輻射貼片寬度W1，掃參結(jié)果如圖2～圖4所示。

由圖2～圖4可以看出，隨著天線背面的地長(zhǎng)度Lg的增大，諧振點(diǎn)逐漸上移，較小的Lg有利于降低端口的回波損耗，但同時(shí)也降低了天線輻射增益。對(duì)于W1和W4而言，W1和W4越小，諧振點(diǎn)越向低頻移動(dòng)，諧振深度同時(shí)也在降低。

圖2 不同Lg對(duì)天線|S11|的影響

圖3 不同W1對(duì)天線|S11|的影響

圖4 不同W4對(duì)天線|S11|的影響

經(jīng)過(guò)對(duì)各個(gè)參數(shù)的掃描優(yōu)化后，考慮到天線工作頻點(diǎn)的|S11|要在-10 dB以下，并兼顧天線的輻射增益、更低的諧振頻率。選取了分別對(duì)應(yīng)與天線性能最優(yōu)的數(shù)值進(jìn)行彎曲折疊單極子天線的設(shè)計(jì)，天線的結(jié)構(gòu)參數(shù)如表1所示。

表1 天線結(jié)構(gòu)參數(shù)

2 天線的電感加載

在天線結(jié)構(gòu)上進(jìn)行改進(jìn)后，的確會(huì)使天線的電尺寸得到縮小。但在不改變天線尺寸的前提下想要進(jìn)一步縮小天線，再?gòu)慕Y(jié)構(gòu)上下功夫會(huì)較為困難。此時(shí)可以借助集總元器件的特性，在輸入阻抗中對(duì)呈現(xiàn)感抗的頻點(diǎn)進(jìn)行容性加載，又或是在輸入阻抗中對(duì)呈現(xiàn)容性的頻點(diǎn)進(jìn)行感性加載，這樣的好處是可以不改變?cè)刑炀€的結(jié)構(gòu)，而是通過(guò)外加的電容電感去抵消天線輸入阻抗中的電抗，從而使天線諧振點(diǎn)往低頻移動(dòng)。

上節(jié)中設(shè)計(jì)的彎曲折疊單極子天線的輸入阻抗特性曲線如圖5所示，可以看出在350 MHz之前，天線的阻抗虛部都是呈容性，所以可以使用電感加載來(lái)抵消低頻段的容抗，使得天線諧振點(diǎn)向低頻處移動(dòng)。

圖5 天線的輸入阻抗特性曲線

查看天線表面的電流分布，如圖6所示，發(fā)現(xiàn)在第一段彎折線入口處，天線有較大的電流。在電流較大的地方，輻射性能也會(huì)比其他地方更強(qiáng)，于是在此處切開一個(gè)1.5 mm的槽，嘗試進(jìn)行感性加載來(lái)補(bǔ)償天線低頻處的容抗，使諧振點(diǎn)向低頻移動(dòng)，達(dá)到小型化的目的。

圖6 天線表面電流分布圖

在第一段彎折線入口處加載了不同感值的電感后，天線的|S11|曲線如圖7所示，圖7給出了仿真中電感值在1～90 nH的不同電感數(shù)值下，天線的|S11|曲線的移動(dòng)情況。

圖7 仿真加載不同電感值對(duì)天線|S11|的影響

仿真結(jié)果表明，進(jìn)行電感加載后天線的諧振點(diǎn)向低頻端移動(dòng)，頻率變化的帶寬(|S11|<-10 dB)為390.7～282.5 MHz，這說(shuō)明引入的電感補(bǔ)償了低頻處的容抗，使得天線諧振點(diǎn)向低頻移動(dòng)。

3 天線加工與實(shí)測(cè)

為了驗(yàn)證仿真設(shè)計(jì)的準(zhǔn)確性，對(duì)天線進(jìn)行了實(shí)際的加工測(cè)試，介質(zhì)基板采用厚度為1.5 mm的Rogers4003，介電常數(shù)為3.55，損耗角正切0.002 7。天線的加工實(shí)物圖如圖8所示。

(a) 天線正面

然后對(duì)天線進(jìn)行了端口反射系數(shù)的測(cè)試，由于該天線為電小天線，所以在測(cè)試過(guò)程中要避免人體離天線太近，避免手拿天線進(jìn)行測(cè)試。測(cè)試儀器為安捷倫型號(hào)的矢量網(wǎng)絡(luò)分析儀，進(jìn)行矢網(wǎng)校準(zhǔn)后將天線和同軸線連接到一起，然后將天線放置到泡沫架上，等待數(shù)據(jù)穩(wěn)定后保存數(shù)據(jù)，與仿真數(shù)據(jù)進(jìn)行對(duì)比。圖9天線仿真和實(shí)測(cè)的|S11|對(duì)比曲線。在誤差范圍內(nèi)，可以認(rèn)為仿真和實(shí)測(cè)基本一致，存在一些頻率偏差的原因可能是加工精度未達(dá)到仿真要求、SMA接口處的焊接誤差等。

圖9 仿真與實(shí)測(cè)|S11|對(duì)比

天線在395 MHz頻點(diǎn)處的仿真和實(shí)測(cè)方向圖如圖10所示，天線具有全向輻射特性，最大輻射增益可達(dá)1.2 dBi。

(a) E面方向圖

如圖11所示，在天線中間的第一段彎折線處進(jìn)行了電感加載實(shí)測(cè)，此處空出了1.5 mm的空隙，便于焊接電感器件。

圖11 加載電感的天線實(shí)物圖

實(shí)測(cè)加載不同電感值的天線|S11|曲線如圖12所示，可以看到，隨著電感數(shù)值的增大，天線諧振點(diǎn)也在逐漸向低頻處移動(dòng)。天線諧振頻率從無(wú)加載的373 MHz，經(jīng)過(guò)加載電感后，最低諧振頻率為267 MHz，實(shí)現(xiàn)了106 MHz的變頻帶寬，實(shí)測(cè)結(jié)果和仿真結(jié)果存在一些偏差，主要原因可能是電感焊接處有虛焊，但總體上仿真結(jié)果和實(shí)測(cè)結(jié)果吻合。

圖12 實(shí)測(cè)加載不同電感值對(duì)天線|S11|的影響

天線加載15 nH電感后，在諧振點(diǎn)362 MHz處的二維方向圖如圖13所示。

(a) E面方向圖

4 結(jié)論

通過(guò)彎曲折疊、引入開槽孔，并在彎折線前端加載電感的方式，設(shè)計(jì)了一款小型化頻率可變的電小單極子天線。天線通過(guò)加載不同電感值的電感器件，諧振頻率從373 MHz降低到了267 MHz，實(shí)現(xiàn)了106 MHz的變頻帶寬，天線最小電尺寸為0.089λ。天線具有全向輻射特性，最大輻射增益可達(dá)1.2 dBi，該天線的設(shè)計(jì)為天線的小型化以及變頻寬帶工作提供了一種新思路。