宽带寄生单极天线设计

周彬,逯贵祯,胡宇鸣

(中国传媒大学信息工程学院,北京100024)

1 引言

通信技术的发展对现代通信系统提出了更高的要求,不仅要求高质量地传输语言、文字、图像、数据等信息,而且要求设备宽带化、小型化、通用化。因为无线通信系统信道容量不断扩充、传输速率不断提高的需求要求通信设备的宽带化,同时系统集成化和设备便携性的需求要求通信设备的小型化,宽带小型天线应运而生。

传统的超宽带天线,如对数周期天线、阿基米德螺旋天线、等角螺旋天线以及它们的变形等,不是天线结构过于复杂就是馈电网络设计复杂[1-4]。单极子天线具有结构简单,体积小,易于加工、安装以及全向辐射等特点,但是高度有限的无加载单极天线的带宽相对较窄[5-8]。本文所研究的新型加载宽带线天线是一种通过对天线加载寄生单元,然后对振子排列组合而产生宽带频段的单极天线。借助Ansoft HFSS电磁仿真软件,通过对影响天线性能的主要因素进行理论分析、优化仿真后得到适于加工的天线模型。仿真及实验研究表明:该天线系统在保持单极子天线优良特性的同时,工作频段在60M-210MHz,实现了宽带特性。

2 理论分析

文献[1]给出了设计经验:

(1)简单的振子组合也可以有宽带效果,不同的振子可以在不同的频率发生谐振,如果振子的谐振点比较近,则可以实现宽带效果;

(2)对称的天线结构可能具有水平全向的辐射特性;

(3)对天线进行加载可以使天线在有限的尺寸内实现宽带化;

(4)对于振子天线来说,振子的直径、长度等是影响其谐振点的主要因素。

假设长振子长度为L。,短振子长度为L,根据单极子天线的基本理论,它们所对应的频带范围大约为:

4c/L1 ＜f＜4c/L2(式中c为光速)

从上式中可以看到,天线的带宽受到振子长度的限制。

天线由于引入了近似无限大导体面使得振子的长度约为 λ0/4;天线的频带宽度约为(4c/L1,4c/L2),其中L1、L2分别为长振子和短振子的长度。天线尺寸还不能满足天线宽带及小型化的要求,需要进一步采用上述展宽频带的技术[2]来实现天线的设计目标。

天线的性能受多种因素的影响。这里对影响天线性能的主要参数进行分析,期望找出影响天线性能的参数的规律,为宽带天线设计提供参考。经过仿真,发现影响天线的主要因素有以下几个方面:单极子长度、单极子半径、长短振子间距、加载圆片与否以及加载电阻的大小及位置,下面对这些因素进行简要分析。

(1)单极子长度对天线性能的影响。

(2)增加单极子的直径,降低振子的长度直径比(简称长细比),输入阻抗随着频率变化的敏感性也随之减小,从而改善阻抗的频带特性。

(3)在长振子顶部采用圆盘加载,增大顶端对地的分布电容,实质上是通过改变天线上电流分布而降低谐振频率,来实现小型化。

(4)相邻两振子之间采用电阻加载,使天线在较小尺寸的情况下实现宽带的指标。

根据半波振子理论可知,天线长度直接影响谐振频率,例如半波振子的长度为l,波长为2l,则谐振频率为fo=c/2l,若增加此天线长度l,fo就会随之减小;减小天线长度Z,就会使fo变大,该理论同样适合于本文所研究的天线。长振子长度越长,则天线的带宽会向低频端偏移;长振子长度越短,则天线的带宽会向高频端偏移。短振子与长振子规律一样。

(5)长短振子间距对天线性能的影响。

由于本文所讨论的天线是由三个单极子组成的,所以单极子之间的耦合必然是影响天线的一个重要因素。当天线之间的耦合合适时,天线在较宽的频带范围内都能有较好的阻抗特性,可以实现宽带化。

这里设计的天线采用50Ω的同轴线进行馈电,要求天线在频带(fL,fH)上的反射损耗能够小于-10dB,那么天线的各个结构参数也随之确定。

文献[1]给出反射损耗S11小于-10dB时天线参数设计的理论公式:地板半径r:

馈电振子长度h

寄生振子长度l

比例因子 τ

式(2-1)-(2-4)只是给出理论公式,在确定天线各元素的具体尺寸时,还需要进行仿真优化以及在制作和测试的过程中加以修正。

3 仿真及实现

天线物理参数为三个单极子半径均为r=4mm,长振子高度h=235mm,短振子高度l=120mm,长短振子间距w=13mm,加载电阻阻值R=250Ω,与地板距离n=50mm,顶端加载圆片半径m=20mm。馈电方式是以同轴线对天线系统进行馈电。

经过改进得到短波宽带天线的基本模型,如图2所示。

添加电阻需要在长短振子之间的特定位置上添加与两振子相切的矩形平面。因为矩形平面与圆柱体相切时仅有一个切点,两振子之间无法加载电阻,需要对天线模型进行改进:将圆柱形的天线振子改为长方体结构,采用边长为7mm的长方体代替原来半径为4mm的圆柱体,由于振子的半径远小于振子长度,故这一改进对天线性能不会产生较大影响。改进后的天线仿真模型如图3所示。

图3 改进后的天线仿真模型

天线的长振子和短振子的长度分别决定了fH和fL的大小,同时天线的频带范围可近似由(4c/L1,4c/L2)得到,其中L1、L2分别是长振子和短振子的长度;故欲降低工作频率的同时保证宽频带,就必须增加长短振子的长度以及长短振子的长度差距;长振子顶部的圆盘半径也与天线频率有关:圆盘半径增大,顶部分布电容增大,天线频率降低。

根据以上规律,在仿真中优化各项参数,使得工作频段达到了60MHz—220MHz,基本满足了天线的设计要求。优化后的天线设计参数为:长振子高度为930mm,短振子长度为270mm,振子边长为7mm,两振子间距为13mm,加载电阻高度为155mm,电阻值为125Ω,加载圆盘半径为30mm,圆盘厚度为1mm。回波损耗的仿真结果见图4。

图4 修改参数后的反射损耗

上述优化的天线模型已经满足了设计要求,接下来要考虑的是如何实现的问题。天线的三个振子可利用拉杆天线制作,因为拉杆天线的长度可变,便于对振子长度的修改,且拉杆天线成本较低,易于控制设计成本;将三个振子立于采用同轴馈电的金属板上,中间长振子顶端加圆盘,长短振子间加电阻。

实际实现的难题是:在拉杆天线间加载电阻不容易实现,且在拉杆天线顶端加载圆盘也存在困难,由于天线振子最长的为930mm,振子长度过长,当天线立于金属板时,三阵子在重心影响下无法处于完全平行,这对天线性能有影响。所以需要对天线模型进行进一步修改。

图5 天线模型

由于用拉杆天线制作的天线振子不利于固定,在不改变前面的设计思路的前提下,设法为振子制作一个依托,要求此依托对天线性能影响很小,圆盘和电阻可以做在依托上,与天线振子相连接,这样可以将空间中的振子天线制作成以介质板为依托的微带贴片天线。

将天线模型由单极天线改成微带天线后,三振子形状由圆柱形振子改为矩形振子,振子长度不变,长振子长度仍为930mm,短振子长度仍为270mm,振子宽度均为10mm,两振子间距仍为13mm,圆盘改为振子顶端的长方形平面,长度为30mm,宽度为5mm,电阻位置不变,离地高度为155mm,阻值仍为125Ω。

使用仿真软件经过仿真优化得到了天线结构(见图5),天线物理参数值为:W=0.8m,L=1m,r=0.7m,h=0.93m,R=0.45m,l=0.27m,l1=0.155m。

4 结论

本文对文献[1]中的天线结构进行改进,以单极子天线设计理论和设计方法为基础设计了新型宽带寄生单极天线,对影响天线性能的主要因素进行了分析,同时对天线的仿真模型进行了优化,并加工制作了天线实物。

结果表明:实际制作的天线小于-10dB的频率范围为60MHz～210MHz。由图7可以看出天线回波损耗仿真与实测结果总体趋势一致,但是仿真与实测曲线尚有距离,这与测试支架上没有加金属寄生单元(实物不容易实现)有很大的关系、馈电点焊接不精确导致了阻抗失配、实测地板与仿真地板尺寸有差别、拉杆天线由于重力作用无法完全直立等等都影响着测试结果。但是,仿真与实测曲线的趋势是一致的,仍能较好反映天线正常工作所需各项指标。本文设计的新型加载宽带线天线具有尺寸较小、宽带化效果明显、水平全向、结构简单、便于加工的特点,在广播电视通信领域以及移动通信领域都有着广泛的应用前景。

[1]钟玲玲,邱景辉,张宁.新型加载宽带线天线研究[J].系统工程与电子技术.2008,30(10):1864-1868.

[2]邱景辉,王楠楠,钟玲玲.带寄生单元宽带单极子天线研究[J].电波科学学报.2008,23(6):1079-1084.

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