一种改进型平面超宽带领结型UHF天线

罗海群，李思敏，曹卫平

(桂林电子科技大学 信息与通信工程学院，广西 桂林 541004)

0 引言

随着现代无线和移动通信的发展，UHF超宽频带、多频段天线一体化设计是一种趋势，同时为了方便应用，需要天线结构简单、易于制作、体积小，并尽量覆盖多的通信频段。要兼顾上述的性能指标要求，将会使得天线体积过大、加工制作不够灵活。

目前，主要是基于立体双锥结构[1]，通过尽量增大双锥的张角[1-2]，或者套筒结构[3]来实现双锥天线的超宽带特性。但是其横向体积比较大不利于天线体积小型化，且设计制作不够灵活，在工程应用方面会有所限制。

针对上述存在的问题，采用普通介质板在双锥天线张角较小的情况下，利用介质板背面结构设计天线微带匹配结构以实现超宽带特性，同时兼顾天线设计的简便灵活性，并具有较小的横向尺寸。

1 天线设计

1.1 理论分析

一般天线的输入阻抗与电长度有密切的关系。而输入阻抗随频率变化的剧烈程度主要是取决天线的特性阻抗。

无限长双锥天线是一种宽频带天线，这是因为它的输入阻抗具有频率不变性，能够实现超宽带特性。对于有限长双锥天线，高频端的特性仍然可以保持，但其低频辐射性能会降低。天线的长度决定了天线的低端工作频率，频带可以通过增大锥角来展宽[1]。

双锥天线是超宽带全向天线的典型代表，无限长双锥天线上的电流呈纯行波状态分布，其输入阻抗呈纯电阻特性。天线结构如图1所示。

图1 双锥天线结构

双锥天线的特性阻抗表示为：

(1)

式中，θ为领结天线辐射单元的张角；Zc为天线的特性阻抗。

由式(1)可知，双锥天线的特性阻抗取决于圆锥张角的大小，随着张角的增大而减小。有关测量数据表明，增大张角可降低特性阻抗的虚部，并且实部随频率变化不明显，这有利于拓展天线的带宽[4]。

锥角较大的双锥天线虽然具有很好的宽频带特性，但是在工作频率较低时不易架设，此时可以采用双锥天线的一种变形——领结天线。这种天线具有和双锥天线相近的电性能，一般张角越大频带就越宽，具有重量轻、易架设的特点。与其他微带贴片天线相比，领结天线具有更良好的宽频带特性、平面结构以及加工容易等优点。但如果张角太大，则会增加天线的横向尺寸，既不利于领结天线单元的组阵，也不利于与其他类型天线共轴。

1.2 天线结构设计

考虑到天线实际应用体积尺寸和成本等问题，以及设计加工制作的简单、灵活性，天线选用介电常数为2.55、厚度为1.6 mm的普通FR4介质板设计。天线采用二单元阵列结构，通过设计优化匹配网络和功分器拓展带宽、提高增益，以改善天线的性能。

领结天线与双锥偶极子天线具有相似的辐射性能。它的性能主要是由天线的张角θ和臂长H因素来决定的，臂长H能够决定天线低端特性，其长度与低端频率相应波长的关系为[5-7]：

(2)

式中，λ为天线低端频率对应的波长；Zc为天线的特性阻抗。

以上述的领结天线单元为基础，将2个天线单元共轴放置后组阵，组成如图2所示的2×1阵列，图中的过孔都是同轴线馈电点。组阵后宽带领结天线主要包含三大单元：天线单元、匹配单元和功分器单元。实际应用中为了保证两单元天线输入信号的一致性，从功分器2个输出端口引出的同轴线长度应该要等长。这样能够有效保证两单元输入信号同幅、同相和等时延，以减小对天线远场的影响。

图2 天线阵列结构

天线采用平面一体化设计，辐射体单元、匹配结构和功分器集成在同一介质板上，使得天线设计、制作和调试相比较而言更简单快捷。两单元天线相距离的太远耦合太小，则对于改善增益不明显，同时也会增加天线的长度；太近会造成远场方向图有分裂，也会对增益改善不明显，只有合适的距离才能有效提高的天线的增益。对于参数G以及功分器与天线的间距，在仿真设计时通过参数扫描综合考虑以选取合适的值。

2 天线单元仿真分析

根据上述设计分析，建立模型利用ADS和CST联合进行相关仿真与优化[8-11]，仿真设计思路框图如图3所示，天线单元匹配前仿真结果如图4所示。由图3和图4可知，与之前理论分析较为吻合，兼顾低频段的性能。仿真结果表明天线在低、高频段的性能基本满足要求，匹配设计主要是改善中间频段性能。天线在整个中间频带内的阻抗都相对较大，采用渐变的微带巴伦结构完成天线与馈线之间的匹配设计[9-15]。

图3 仿真设计流程

由仿真阻抗结果可知，单元结构在中间频段阻抗都比较大，需要做降阻抗的匹配结构以完成与同轴馈线的匹配。把单元天线的阻抗Za导出后，代入到ADS仿真平台进行相关的设计仿真与优化。

对于功分器，可以快速利用ADS完成相关仿真与优化设计。经过扫描、优化设计后天线结构参数值如下：θ=20°，L=210.5 mm，L1=120 mm，L2=80 mm，L3=25.5 mm，L4=12 mm，L5=24mm，W=35 mm，W1=32 mm，W3=3.5 mm，W4=2 mm，W5=2.5 mm，H=90 mm，D=0.5 mm，D1=3.2 mm，D2=0.5 mm，G=15 mm。

图4 匹配前天线单元仿真

3 天线制作测试、调试

完成对整体天线模型的优化改善设计后，进行实物的制作并测试、调试，具体驻波测试结果与仿真对比，如图5所示。

图5 天线驻波仿真与实测试对比

在仿真设计中，天线单元的阻抗等特性在CST中完成，而匹配与功分器部分则通过ADS设计。即通过把天线单元的阻抗特性导入到ADS，二者联合仿真设计，快速完成微带匹配和宽带功分器部分的设计要求。

从对比结果可知，驻波仿真与实际测试在中、高频段存在一定的差异。主要原因可能包括如下因素：

① 仿真使用的理想材料、环境与实际测试不可避免会存在差异；

② 天线模型仿真和实物测试时馈电位置的不同，导致仿真模型的阻抗与实际天线的端口阻抗有较大差别，从而造成天线实物测试结果与仿真结果存在一定的差异；

③ 实际应用中一定长度的同轴线馈线，在频率相对高时也会带来相应的损耗等影响。

4 结束语

针对UHF频段超宽带天线应用中存在的体积问题，提出并设计了一款结构简单、改进的平面领结型结构超宽带天线。天线的主要结构由功分器、领结型辐射体和匹配网络实现一体化设计。与传统的立体双锥天线相比较，该领结型结构天线充分利用介质板背面结构空间设计匹配网络，实现了天线的宽带、体积小型化，制作简便、灵活。仿真与实际测试表明，天线具有较好的驻波特性，能够满足UHF内多频段移动通信要求，具有一定的工程实用价值。

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