一种嵌入式共形全向天线的设计

王 亮

(中华通信系统有限责任公司河北分公司，河北 石家庄 050081)

一种嵌入式共形全向天线的设计

王 亮

(中华通信系统有限责任公司河北分公司，河北 石家庄 050081)

为了实现外部的通信设备上的天线具有阻力小、密闭性和良好的通信能力，设计了一款嵌入式共形全向天线，且是将天线安装在设备内部，并能够保持通信设备正常运作。对该天线的各类参数等问题进行了讨论和仿真分析，并制作出了样机天线。对样机天线进行了实际测试，测试结果证实该天线能够解决实际通信需求。

嵌入式；全向；共形天线

0 引言

随着无线通信系统技术的快速发展，对天线性能以及天线的外部结构的要求也不断提高，常规天线已不能完全满足现代通信要求，在现代通信中更需要成本低，便于安装使用以及不影响通信设备实际使用且效果更好的天线。

目前发展嵌入式天线技术，有着广泛的应用前景和重大的现实意义。除了天线安装在通信设备内部以外，该天线与常规全向天线在原理上并没有本质区别，且是在常规的天线基础上发展起来的，但是该天线更有利于通信设备的实际使用。

1 嵌入式共形天线的特性分析

1.1 嵌入式共形天线结构

图1 嵌入式共形全向天线示意图

该类型天线的外形如图1所示，该类型天线主要是由金属腔、短路钉和辐射体这三部分构成。图中隐藏了前后方向的2个短路柱，只标示了左右2个短路柱。

嵌入式共形全向天线采用探针在金属腔的底部中心馈电。其中，金属腔由金属地板变形而来，这样既保证天线具有类似单极天线的辐射方向图，又可降低天线附近其他设备对天线的影响，使天线可以作为嵌入式共形天线使用。

设金属腔的高度为h，直径为D。天线的辐射体由一个倒立金属椎体和椎体顶部的加载金属盘构成，椎体的底部与金属腔底部留有间隙作为馈电，设椎体顶部的半径为R，加载的金属圆盘直径为d。短路柱的半径为r，以腔中心为轴，均匀分布在直径为C的圆周上。

根据经验天线最初设计尺寸为：D=70mm，h=8mm，R=10mm，d=40mm，C=40mm，r=1.5mm，且为保证天线结构稳定性，将短路钉的个数定为4个，椎体和腔体底部间隙为1mm。

1.2 腔体尺寸对天线性能的影响

对腔体的尺寸(包括腔的直径和高度)对天线的匹配性能的影响进行了仿真分析。图2给出了S11参数随腔体直径变化的一组计算结果。计算结果表明，腔体尺寸较小时，天线的回波反射损耗较大；随着腔体直径的增大，腔壁对单极天线的影响减小，天线的匹配带宽增大，当腔体的直径D为70mm～74mm时，天线的匹配带宽最宽；当腔体的直径进一步加大时，天线的匹配带宽又开始变窄了。

下面为腔体高度h变化相对天线的匹配性能的影响进行分析，如图3所示。计算曲线表明，当高度h过小或者过大时，天线的匹配带宽都达不到最佳，当腔体高度h=7mm天线得到最佳匹配带宽。

图2 腔体直径D变化对S11参数的影响 图3 天线的高度h变化对S11参数的影响

1.3 辐射体尺寸对天线性能的影响

对椎体顶部的半径R变化对天线匹配性能的影响进行了仿真分析，计算得到的曲线如图4所示。计算结果表明，当锥顶半径较小时(即：R=4mm),天线的匹配带宽较差；随着锥顶半径增大，天线的匹配带宽越来越好，当R=10mm左右，天线的匹配带宽最佳；但是当锥体顶端半径持续增加后，该天线的匹配频带会变差。

对加载盘直径d变化对天线匹配性能的影响进行分析计算，计算的结果如图5所示。从图中可以看出：加载盘的直径过小时(d=10mm)，或者当加载盘的直径过大时(d=70mm),天线的匹配性能都比较差；当加载盘取一个适当的值(d=44mm)，天线的匹配特性最佳。分析其原因：当加载的盘过于小时，就与没有加载一样；而当加载盘过于大时，加载盘和腔体会形成一个电容而直接影响天线的辐射效率，经过进一步分析研究发现将选择合适的圆形加载盘改为梅花状可将天线的辐射效率得到进一步提升。

图4 锥顶半径R变化对S11参数的影响 图5 加载盘直径d的变化对S11参数的影响

1.4 短路钉尺寸对天线性能的影响

分析计算了短路钉所处圆周直径C的变化对天线匹配性能的影响，得到的曲线如图6所示。从图上可以看出：当C很小时(C=10mm),天线的匹配特性很差；但是随着C的增大，天线的匹配性能会逐渐变好，当C=36mm时，天线匹配带宽达到最大；但是当C接连增大后，天线的匹配性能又开始变差。

对短路钉的半径r变化对天线匹配性能的影响进行了分析，得到的曲线如图7所示。从图中可以看出，当r=1.5mm时，该天线的匹配带宽才达到了最佳平衡点。

图6 短路钉圆周直径C变化对S11参数影响 图7 短路钉半径r变化对S11参数的影响

经过上述分析，通过优化设计得到了一组最佳的参数：D=74mm，h=8mm，R=10mm，d=44mm，C=38mm，r=1.5mm，短路钉个数为4个，椎体和腔体底部间隙是1mm。

1.5 嵌入式共形全向天线仿真结果和实测样机结果

在明确了天线的设计要求且经过对天线匹配结构的各个部件进行仿真优化求证后，创建出天线的仿真模型如图8所示，计算了该天线辐射的方向图，如图9所示。从天线方向图可以看出，天线在整个宽带内会保持类似的单极天线方向图。

图8 嵌入式共形全向天线仿真图

图9 嵌入式共形全向天线方向图

1.6 样机设计

对模型进行加工生产。经过实际调试以及测试，然后对天线各个部件尺寸做了修改，设计出天线实物，如图10所示。样机实测方向图如图11所示。

图10 嵌入式共形全向天线样机

图11 嵌入式共形天线辐射方向图(E面)

经过对天线的实物样机测试后发现，设计出的它的S11小于-10dB的带宽覆盖了5.1GHz～8.05GHz，百分比带宽为44%。经过上机验证，将该天线实际安装到设备上，并加装特制的非金属天线罩进行测试，发现设备的金属表面以及天线罩对该天线都产生不了很大的影响，且该天线在实际应用中会有很高的使用价值。

2 结束语

该嵌入式共形全向天线具有尺寸小、宽频带、全向辐射特性，对各个通信领域都具有很大的优点,可实现宽角度范围扫描和全方位覆盖的同时,还不破坏设备表面的机械结构和强度。

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The design of a built-in conformal omnidirectional antenna

WANG Liang

(ChinaCommunicationsSystemCo.,LtdHebeiBranch,ShijiazhuangHebei050081,China)

As for implementing less resistance of communication devices, airtightness and upstanding communication ability，a built-in conformal omnidirectional antenna is proposed. Besides, this antenna is fixed inside of communication device, also assuring the normal working of devices. Full-scale parameters of this antenna are discussed and analyzed, also the antenna is fabricated.At last, the proposed antenna is tested, measured results approve that the antenna is able to fulfil practical communication requirement.

Built-in; Omnidirectional; Conformal antenna

2016-09-25

王 亮(1982-)，男，河北内丘人，硕士，工程师，主要研究方向：微波天线研制。

1001-9383(2016)04-0025-06

TN82

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