新型小型化的宽带定向天线*

孙凤林

(中国西南电子技术研究所，四川成都610036)

0 引言

现代通信电磁环境日益复杂，不仅要求高质量的传输信息，同时还要求增加作用距离，增加保密性和抗干扰能力，这就要求天线在具有宽带工作特性，定向辐射特性，避免后向散射引起的干扰，同时具有非常小的尺寸便于应用到便携设备［1］。近年来对UWB天线的研究越来越多，这类天线除了具有超宽带的特性外，还具有诸多优点:尺寸小、结构紧凑，常见的平面单极天线有矩形、圆盘形、椭圆盘形单极天线［2］，但是这些天线的方向图均类似单极天线，H面为全向，一些增加天线定向性的方法有在天线后增加背腔、反射板或者使用吸波材料等［3］，但是这些方法往往增加天线的尺寸和制作难度，不适合对天线体积重量等重点关心的应用平台，如个人便携终端，小型通信平台等，因此小型化、超宽带一直是天线工作者努力的方向，前期已在文献［4］中提出一种小型化的宽带定向天线的设计，文中在前期工作的基础上提出一种体积更小、带宽更宽的定向天线形式，并制作了实物进行了测试验证。

不同于传统增加反射板提高方向性的思路，文中提出一种折叠天线地板作为天线反射腔来增加天线方向性的方法，同时利用地板与辐射振子间的加载效应，降低天线的高度尺寸。天线辐射单元是一种具有超宽带特性的半椭圆环振子，印制在FR4的介质板上，通过调节辐射振子的参数可以在很宽的频带内实现天线的驻波匹配，利用折叠的C型反射腔提高天线的定性辐射特性，文中重点是降低天线的高度尺寸(z轴方向)，另外两个方向(x，y向)的尺寸可以根据应用需求进一步减小，文中利用电磁仿真软件HFSS对天线的各个设计参数进行了分析和优化，并根据优化结果制作了天线实物。

1 天线设计

图1显示了该小型化定向天线的几何结构，天线的印制板材料为FR4，介电常数4.4，厚度3 mm，半椭圆环形状的辐射阵子印制在FR4板材的一侧，圆环的顶部留一个缝隙，缝隙宽度2 mm，整个介质板固定在折叠成字母C型的金属地板中间，地板的两个折叠角分别为90°和73°，辐射振子与后反射板的距离为34 mm，天线馈电通过地板底部由阻抗50 Ω SMA射频连接器进行馈电，整个天线的尺寸为120 mm×65 mm×50 mm。天线样件如图2所示。

图1 天线模型示意Fig.1 Geometry of proposedantenna

图2 天线样件Fig.2 Photograph of the fabricated antenna

2 天线测试结果

利用矢量网络分析仪(Agilent 5242A)对天线的驻波进行了测试，结果如图3所示。

图3 电压驻波比测试Fig.3 Measured VSWR of the antenna

从图3可以看出，该天线有很宽的带宽，频带0.8 ～2.0 GHz内驻波小于 2，0.7 ～3.85 GHz内驻波小于3，而整个天线的高度只有50 mm，相当于0.13 λ0(λ0为0.8 GHz时的空气波长)，同在文献［3］中所设计的天线相比，相同高度尺寸下，天线的工作频段低端从0.9 GHz扩展到0.8 GHz。说明了该种天线进一步减小了天线的高度尺寸，同时天线的带宽有了进一步的展宽。

为了充分了解该小型化天线的辐射特性，我们在微波暗室中对天线的E面和H面的远场方向图进 行 了 测 试，测 试 频 点 为 0.8 GHz、1.6 GHz、2.4 GHz、3.0 GHz，并同时测试了其交叉极化特性，方向图已进行了归一化处理，测试结果分别列与图4～图11中。

图4 H面测试方向图f=0.8 GHzFig.4 Measured patterns at H － plane f=0.8 GHz

图5 H面测试方向图f=1.6 GHzFig.5 Measured pattern at H － plane f=1.6 GHz

图6 H面测试方向图f=2.4 GHzFig.6 Measured pattern at H － plane f=2.4 GHz

图7 H面测试方向图f=3.0 GHzFig.7 Measured pattern at H － plane f=3.0 GHz

图8 E面测试方向图f=0.8 GHzFig.8 Measured pattern at E － plane f=0.8 GHz

图9 E面测试方向图f=1.6 GHzFig.9 Measured pattern at E － plane f=1.6 GHz

图10 E面测试方向图f=2.4 GHzFig.10 Measured pattern at E － plane f=2.4 GHz

图11 E面测试方向图f=3.0 GHzFig.11 Measured pattern at E － plane f=3.0 GHz

图4～图11的测试结果表明该天线具有一定的定向性，H面最大方向在90°方向附近，前后比从低频(0.8 GHz)时的5 dB，到高频(2.4 GHz)时已有18 dB，天线的交叉极化随着频率的升高，逐渐变差，在高频段时，甚至出现了超过主极化的情况，主要由于该天线地板较小，辐射体超过天线地板一部分，且由于折叠后的反射腔可以激励起水平极化的波向外辐射，因此可以通过增加该天线的地板尺寸，同时调节反射腔的尺寸等措施进一步改善天线的定向性和交叉极化特性。

由于天线辐射体是具有超宽带特性的半椭圆环形单极子，但是天线的反射腔体是根据前后比要求较高的频段进行设计的，因此天线的定向性具有窄带特性，虽然研究者可以根据需要通过优化反射腔与辐射体的距离获得某个特定频段的良好定向性，但是无法在整个宽频带内都实现良好定向性，因此文中所设计的天线适合应用于一些在特殊频段有较高定向要求的通信场合。

3 结语

文中设计了一种新型小型宽带定向天线，利用将宽带平面单极子天线的地板折叠成字母C的形状的方法，有效降低了天线的高度尺寸(0.13λ0)，在前期工作的基础上，进一步实现了天线的小型化和带宽展宽，同时制作了天线样件，测试结果验证了该种天线具有非常宽的驻波带宽(0.7～3.8 GHz)，VSWR≤3时的带宽达到5个倍频程。天线的方向图在整个频段内均具有定向辐射特性，但天线的交叉极化也随频率升高而升高。

［1］XU Li，SUSAN C H，MIN K Choi，et al.Numerical and Experimental Investigation of an Ultra Wideband Ridged Pyramidal Horn Antenna with Curved Launching Plane for Pulse Radiation［J］.IEEE Antennas and Wireless Propagation Letters，2003，2(01):259－262.

［2］施胜杰，郭辉萍.一种新型超宽带平面单极天线的设计［J］.通信技术，2009，42(01):112 －114.SHI Sheng－jie，GUO Hui－ping.Design of Novel Ultra－ Wideband Planar Monopole Antenna［J］.Communications Technology，2009，42(01):112－114.

［3］YAROVOY A G，PUGLIESE R，ZIJDERVELD J H，et al.Antenna Development for UWB Impulse Radio［C］//34th European Microwave Conference.Amsterdam The Netherlands:Horizon Publications Ltdlondon，2004:1257 －1260.

［4］孙凤林，梁宇宏，何海丹.一种宽带定向天线的设计［J］.微波学报，2010(s1):170－172.SUN Fen－lin，LIANG Yu－hong，HE Hai－dan.Design of a Wideband Directional Antenna［J］.Journal of Microwaves，2010(s1):170 －172.