一种新型电感加载宽频带GSM/3G/WIFI单极天线
2014-06-19 18:07李峰魏亮刘永霞
现代电子技术 2014年9期
李峰 魏亮 刘永霞
摘 要： 设计了一种采用感性加载方式的工作于0.8～2.5 GHz的宽频带GSM/3G/WIFI单极子天线，通过仿真和实际测试发现这种加载方式在实现了良好阻抗匹配的情况下对天线方向图无明显影响。该天线具有全频段内增益高，方向图良好，阻抗频带宽的特点，由于采用了感性加载的阻抗匹配方式，实现了直流接地雷电防护功能，非常适合安装于机载环境。
关键词： 电感加载； 单极天线； 宽频带天线； 机载天线
中图分类号： TN925?34 文献标识码： A 文章编号： 1004?373X（2014）09?0070?03
0 引 言
机载天线通常要求具有小的尺寸、轻的重量和良好的气动性能。平面印刷单极天线因其结构简单、尺寸小、易于设计和制造、方向图在阻抗频带内变化小，是机载天线最常用的结构形式[1?4]。单极结构的机载天线安装于机身外表面时，机身蒙皮成为单极天线的地，可以为单极天线提供良好的性能。
通常情况下，[14]波长的单极天线是窄带的，天线阻抗带宽在1%～5%之间[5]。但单极天线可以通过多种技术实现宽频带乃至超宽频带工作。这些技术包括增加单极天线尺寸、接地、改变平面单极天线切角、叉形馈电[6]、使用匹配网络等。通常所使用的增加单极天线带宽的方法是上述方法的综合。
1 天线设计
该天线的结构示意图如图1所示。
如图1所示带张角的平面单极天线的输入阻抗（单位：Ω）为：
[Zin=60ln[cot（θ4）]]
式中[θ]为天线张角的度数。但上式仅对天线长度为无限长时准确。对长度受限的带张角平面单级天线，天线阻抗带宽与天线长度有关。
图1 宽频带刀形单极子天线结构图
该天线工作在0.8～2.5 GHz，最低工作频率0.8 GHz时对应[14]波长（单位：m）为：
[λ4=3×1084×0.8×109≈0.09]
为确保天线在工作频率低端的增益，天线高度定为9 cm。天线宽度[w]及张角[θ]由仿真进行参数分析得出。经仿真优化，确定天线参数如下：[w=]41 mm，[y=]52 mm，天线张角[θ=110°。]
此时天线在绝大多数工作频段电压驻波比小于2，但仍然无法在整个工作频段上使天线电压驻波比小于2。因此采用电感加载方式实现天线阻抗带宽的进一步扩展，考虑到天线承受功率的要求，加入的电感为2 μH空心电感。此时由仿真得到的天线电压驻波比如图2所示。由图2可以看出，天线全频段电压驻波比小于1.8，满足技术指标要求。可见采用电感加载方式可以非常有效地扩展平面单极天线的阻抗带宽。针对实际应用而言，空心电感加载型天线使天线辐射体实现了可靠的直流接地，从而具有雷电防护功能，非常适合应用于机载环境。
图2 天线电压驻波比
由仿真得到的天线增益及方向图如图3～图5所示，天线水平面最低增益大于-1 dB。可以看出，天线采用感性加载对方向图无明显的影响，天线水平面方向图仍然为全向。
图3 0.85 GHz增益及方向图
图4 1.9 GHz增益及方向图
图5 2.4 GHz增益及方向图
为使天线具备安装于飞机上的良好的环境适应性，天线罩采用带有良好气动外形的玻璃钢制成，天线实物图如图6所示。
图6 天线实物图
2 实测结果
在微波暗室内实测天线方向图如图7～图9所示，测试坐标定义如图10所示。
图7 0.85 GHz方向图
图8 1.9 GHz方向图
图9 2.4 GHz方向图
图10 坐标定义
可以看出，新型天线方向图良好，水平面为无方向性。在2.4 GHz天线方向图出现多个副瓣，这主要是由天线电长度增加后引起的反向电流造成，但天线主瓣仍然具有良好的增益和水平面无方向性。
实测天线电压驻波比如图11所示，可以看出天线在0.8～2.5 GHz电压驻波比小于1.8，全频段内阻抗匹配良好。
3 结 论
本文通过仿真和实际测试，设计出了一种采用感性加载方式的工作于0.8～2.5 GHz的宽频带GSM/3G/WIFI单极子天线，这种加载方式实现了天线在工作频带内的良好阻抗匹配，且对天线方向图未带来明显的不良影响。该天线具有全频段内增益高，方向图良好，阻抗频带宽的特点，由于采用了感性加载的阻抗匹配方式，实现了直流接地雷电防护功能，非常适合安装于机载环境，具有良好的应用前景。
图11 天线电压驻波比测试结果
参考文献
[1] ORTMAN G J. Antenna engineering handbook [M]. New York： McGraw?Hill， 2007.
[2] ELDEK A A. Numerical analysis of a small ultra?wideband microstrip?fed tap monopole antenna [J]. Progress in Electromagnetics Research， 2006， 65：59?69.
[3] SADAT S， FARDIS M， GERAN F， et al. A compact microstrip square?ring slot antenna for UWB application [C]// Proceedings of IEEE Antennas and Propagation Society International Symposium. Albuquerque， NM： IEEE， 2006： 4629?4632.
[4] AMMANN M J. Square planar monopole antenna [C]// Proceedings of Insternational Elect Eng Nat Conference on Antennas Propag. UK： [s.n.]，1999： 37?40.
[5] 王元坤.线天线的宽频带技术[M].西安：西安电子科技大学出版社，1995.
[6] ANTONINO?DAVIU E， CABEDO?FABRES M， FERRANDO?BATALLER M， et al. Wideband double?fed planar monopole antennas [J]. Electron Letters， 2003， 39： 1635?1636.
摘 要： 设计了一种采用感性加载方式的工作于0.8～2.5 GHz的宽频带GSM/3G/WIFI单极子天线，通过仿真和实际测试发现这种加载方式在实现了良好阻抗匹配的情况下对天线方向图无明显影响。该天线具有全频段内增益高，方向图良好，阻抗频带宽的特点，由于采用了感性加载的阻抗匹配方式，实现了直流接地雷电防护功能，非常适合安装于机载环境。
关键词： 电感加载； 单极天线； 宽频带天线； 机载天线
中图分类号： TN925?34 文献标识码： A 文章编号： 1004?373X（2014）09?0070?03
0 引 言
机载天线通常要求具有小的尺寸、轻的重量和良好的气动性能。平面印刷单极天线因其结构简单、尺寸小、易于设计和制造、方向图在阻抗频带内变化小，是机载天线最常用的结构形式[1?4]。单极结构的机载天线安装于机身外表面时，机身蒙皮成为单极天线的地，可以为单极天线提供良好的性能。
通常情况下，[14]波长的单极天线是窄带的，天线阻抗带宽在1%～5%之间[5]。但单极天线可以通过多种技术实现宽频带乃至超宽频带工作。这些技术包括增加单极天线尺寸、接地、改变平面单极天线切角、叉形馈电[6]、使用匹配网络等。通常所使用的增加单极天线带宽的方法是上述方法的综合。
1 天线设计
该天线的结构示意图如图1所示。
如图1所示带张角的平面单极天线的输入阻抗（单位：Ω）为：
[Zin=60ln[cot（θ4）]]
式中[θ]为天线张角的度数。但上式仅对天线长度为无限长时准确。对长度受限的带张角平面单级天线，天线阻抗带宽与天线长度有关。
图1 宽频带刀形单极子天线结构图
该天线工作在0.8～2.5 GHz，最低工作频率0.8 GHz时对应[14]波长（单位：m）为：
[λ4=3×1084×0.8×109≈0.09]
为确保天线在工作频率低端的增益，天线高度定为9 cm。天线宽度[w]及张角[θ]由仿真进行参数分析得出。经仿真优化，确定天线参数如下：[w=]41 mm，[y=]52 mm，天线张角[θ=110°。]
此时天线在绝大多数工作频段电压驻波比小于2，但仍然无法在整个工作频段上使天线电压驻波比小于2。因此采用电感加载方式实现天线阻抗带宽的进一步扩展，考虑到天线承受功率的要求，加入的电感为2 μH空心电感。此时由仿真得到的天线电压驻波比如图2所示。由图2可以看出，天线全频段电压驻波比小于1.8，满足技术指标要求。可见采用电感加载方式可以非常有效地扩展平面单极天线的阻抗带宽。针对实际应用而言，空心电感加载型天线使天线辐射体实现了可靠的直流接地，从而具有雷电防护功能，非常适合应用于机载环境。
图2 天线电压驻波比
由仿真得到的天线增益及方向图如图3～图5所示，天线水平面最低增益大于-1 dB。可以看出，天线采用感性加载对方向图无明显的影响，天线水平面方向图仍然为全向。
图3 0.85 GHz增益及方向图
图4 1.9 GHz增益及方向图
图5 2.4 GHz增益及方向图
为使天线具备安装于飞机上的良好的环境适应性，天线罩采用带有良好气动外形的玻璃钢制成，天线实物图如图6所示。
图6 天线实物图
2 实测结果
在微波暗室内实测天线方向图如图7～图9所示，测试坐标定义如图10所示。
图7 0.85 GHz方向图
图8 1.9 GHz方向图
图9 2.4 GHz方向图
图10 坐标定义
可以看出，新型天线方向图良好，水平面为无方向性。在2.4 GHz天线方向图出现多个副瓣，这主要是由天线电长度增加后引起的反向电流造成，但天线主瓣仍然具有良好的增益和水平面无方向性。
实测天线电压驻波比如图11所示，可以看出天线在0.8～2.5 GHz电压驻波比小于1.8，全频段内阻抗匹配良好。
3 结 论
本文通过仿真和实际测试，设计出了一种采用感性加载方式的工作于0.8～2.5 GHz的宽频带GSM/3G/WIFI单极子天线，这种加载方式实现了天线在工作频带内的良好阻抗匹配，且对天线方向图未带来明显的不良影响。该天线具有全频段内增益高，方向图良好，阻抗频带宽的特点，由于采用了感性加载的阻抗匹配方式，实现了直流接地雷电防护功能，非常适合安装于机载环境，具有良好的应用前景。
图11 天线电压驻波比测试结果
参考文献
[1] ORTMAN G J. Antenna engineering handbook [M]. New York： McGraw?Hill， 2007.
[2] ELDEK A A. Numerical analysis of a small ultra?wideband microstrip?fed tap monopole antenna [J]. Progress in Electromagnetics Research， 2006， 65：59?69.
[3] SADAT S， FARDIS M， GERAN F， et al. A compact microstrip square?ring slot antenna for UWB application [C]// Proceedings of IEEE Antennas and Propagation Society International Symposium. Albuquerque， NM： IEEE， 2006： 4629?4632.
[4] AMMANN M J. Square planar monopole antenna [C]// Proceedings of Insternational Elect Eng Nat Conference on Antennas Propag. UK： [s.n.]，1999： 37?40.
[5] 王元坤.线天线的宽频带技术[M].西安：西安电子科技大学出版社，1995.
[6] ANTONINO?DAVIU E， CABEDO?FABRES M， FERRANDO?BATALLER M， et al. Wideband double?fed planar monopole antennas [J]. Electron Letters， 2003， 39： 1635?1636.
摘 要： 设计了一种采用感性加载方式的工作于0.8～2.5 GHz的宽频带GSM/3G/WIFI单极子天线，通过仿真和实际测试发现这种加载方式在实现了良好阻抗匹配的情况下对天线方向图无明显影响。该天线具有全频段内增益高，方向图良好，阻抗频带宽的特点，由于采用了感性加载的阻抗匹配方式，实现了直流接地雷电防护功能，非常适合安装于机载环境。
关键词： 电感加载； 单极天线； 宽频带天线； 机载天线
中图分类号： TN925?34 文献标识码： A 文章编号： 1004?373X（2014）09?0070?03
0 引 言
机载天线通常要求具有小的尺寸、轻的重量和良好的气动性能。平面印刷单极天线因其结构简单、尺寸小、易于设计和制造、方向图在阻抗频带内变化小，是机载天线最常用的结构形式[1?4]。单极结构的机载天线安装于机身外表面时，机身蒙皮成为单极天线的地，可以为单极天线提供良好的性能。
通常情况下，[14]波长的单极天线是窄带的，天线阻抗带宽在1%～5%之间[5]。但单极天线可以通过多种技术实现宽频带乃至超宽频带工作。这些技术包括增加单极天线尺寸、接地、改变平面单极天线切角、叉形馈电[6]、使用匹配网络等。通常所使用的增加单极天线带宽的方法是上述方法的综合。
1 天线设计
该天线的结构示意图如图1所示。
如图1所示带张角的平面单极天线的输入阻抗（单位：Ω）为：
[Zin=60ln[cot（θ4）]]
式中[θ]为天线张角的度数。但上式仅对天线长度为无限长时准确。对长度受限的带张角平面单级天线，天线阻抗带宽与天线长度有关。
图1 宽频带刀形单极子天线结构图
该天线工作在0.8～2.5 GHz，最低工作频率0.8 GHz时对应[14]波长（单位：m）为：
[λ4=3×1084×0.8×109≈0.09]
为确保天线在工作频率低端的增益，天线高度定为9 cm。天线宽度[w]及张角[θ]由仿真进行参数分析得出。经仿真优化，确定天线参数如下：[w=]41 mm，[y=]52 mm，天线张角[θ=110°。]
此时天线在绝大多数工作频段电压驻波比小于2，但仍然无法在整个工作频段上使天线电压驻波比小于2。因此采用电感加载方式实现天线阻抗带宽的进一步扩展，考虑到天线承受功率的要求，加入的电感为2 μH空心电感。此时由仿真得到的天线电压驻波比如图2所示。由图2可以看出，天线全频段电压驻波比小于1.8，满足技术指标要求。可见采用电感加载方式可以非常有效地扩展平面单极天线的阻抗带宽。针对实际应用而言，空心电感加载型天线使天线辐射体实现了可靠的直流接地，从而具有雷电防护功能，非常适合应用于机载环境。
图2 天线电压驻波比
由仿真得到的天线增益及方向图如图3～图5所示，天线水平面最低增益大于-1 dB。可以看出，天线采用感性加载对方向图无明显的影响，天线水平面方向图仍然为全向。
图3 0.85 GHz增益及方向图
图4 1.9 GHz增益及方向图
图5 2.4 GHz增益及方向图
为使天线具备安装于飞机上的良好的环境适应性，天线罩采用带有良好气动外形的玻璃钢制成，天线实物图如图6所示。
图6 天线实物图
2 实测结果
在微波暗室内实测天线方向图如图7～图9所示，测试坐标定义如图10所示。
图7 0.85 GHz方向图
图8 1.9 GHz方向图
图9 2.4 GHz方向图
图10 坐标定义
可以看出，新型天线方向图良好，水平面为无方向性。在2.4 GHz天线方向图出现多个副瓣，这主要是由天线电长度增加后引起的反向电流造成，但天线主瓣仍然具有良好的增益和水平面无方向性。
实测天线电压驻波比如图11所示，可以看出天线在0.8～2.5 GHz电压驻波比小于1.8，全频段内阻抗匹配良好。
3 结 论
本文通过仿真和实际测试，设计出了一种采用感性加载方式的工作于0.8～2.5 GHz的宽频带GSM/3G/WIFI单极子天线，这种加载方式实现了天线在工作频带内的良好阻抗匹配，且对天线方向图未带来明显的不良影响。该天线具有全频段内增益高，方向图良好，阻抗频带宽的特点，由于采用了感性加载的阻抗匹配方式，实现了直流接地雷电防护功能，非常适合安装于机载环境，具有良好的应用前景。
图11 天线电压驻波比测试结果
参考文献
[1] ORTMAN G J. Antenna engineering handbook [M]. New York： McGraw?Hill， 2007.
[2] ELDEK A A. Numerical analysis of a small ultra?wideband microstrip?fed tap monopole antenna [J]. Progress in Electromagnetics Research， 2006， 65：59?69.
[3] SADAT S， FARDIS M， GERAN F， et al. A compact microstrip square?ring slot antenna for UWB application [C]// Proceedings of IEEE Antennas and Propagation Society International Symposium. Albuquerque， NM： IEEE， 2006： 4629?4632.
[4] AMMANN M J. Square planar monopole antenna [C]// Proceedings of Insternational Elect Eng Nat Conference on Antennas Propag. UK： [s.n.]，1999： 37?40.
[5] 王元坤.线天线的宽频带技术[M].西安：西安电子科技大学出版社，1995.
[6] ANTONINO?DAVIU E， CABEDO?FABRES M， FERRANDO?BATALLER M， et al. Wideband double?fed planar monopole antennas [J]. Electron Letters， 2003， 39： 1635?1636.
