一种加载可变电感的电小单极子天线设计

魏 聪，陈 星

(四川大学 电子信息学院，四川 成都 610065)

0 引言

印刷单极子天线[1-3]由于其低成本、低剖面[4-6]、易于制造以及其全向辐射方向图特性而被广泛应用于各种通信中。随着无线通信技术的不断发展，对于收发信号的天线也提出了更高的要求，庞大笨重的天线显然无法满足实际需要。例如在一些短波/超短波无线通信的应用场景中，人工背负通信设备对天线尺寸就有十分严苛的要求，要求设计为便携天线。由于短波/超短波的波长可长达数米至数百米，为了便于携带就必须将短波/超短波天线设计为电小天线[7-8]，即天线尺寸需要远小于工作波长，才能便于集成和缩小占地空间。

目前国内外已经提出了很多方法来减小天线的尺寸，Choi等人提出了用于VHF频段的小型折叠偶极子天线[7]，使用折叠技术减小天线的物理尺寸。一些研究中使用了具有超材料加载[8]和开槽接地结构的方法使天线小型化[9-10]。另外还有使用高介电常数的介质基板、辐射元件的分形、缺陷微带结构(DMS)、缺陷接地结构(DGS)或它们的组合来缩小天线的尺寸[11-15]。

本文使用了开槽、弯曲折叠线以及电感加载[16]的组合方法设计了一种频率可变的电小单极子天线，通过在弯曲折叠线的基础上加载电感，进一步降低了天线谐振频率，为天线的小型化提出了一种新的设计思路。

1 天线结构设计

在电小天线的设计过程中，设计围绕的核心是如何在有限的天线结构上，引入更长的电流流动路径，从而使得天线的工作频点降到更低的频段，实现小型化。本文的设计思路是在不增大天线物理尺寸的前提下，对辐射贴片进行开槽和弯曲折叠来延长辐射贴片上的电流流动路径，然后通过电感加载抵消低频处的容抗，通过改变电感值来调节天线工作频点，从而实现单极子天线的宽带变频以及小型化。

天线结构示意图如图1所示，在传统的单极子天线基础上，进行了开槽和引入弯曲折叠线，从而增加天线表面的电流流动路径。贴片和接地平面由厚度为0.035 mm的铜片制成，通过50 Ω微带线连接SMA接头进行馈电。

(a) 天线正面

对天线部分结构参数进行了扫参分析，分别是天线背面地的长度Lg、馈电微带线的宽度W4、辐射贴片宽度W1，扫参结果如图2～图4所示。

由图2～图4可以看出，随着天线背面的地长度Lg的增大，谐振点逐渐上移，较小的Lg有利于降低端口的回波损耗，但同时也降低了天线辐射增益。对于W1和W4而言，W1和W4越小，谐振点越向低频移动，谐振深度同时也在降低。

图2 不同Lg对天线|S11|的影响

图3 不同W1对天线|S11|的影响

图4 不同W4对天线|S11|的影响

经过对各个参数的扫描优化后，考虑到天线工作频点的|S11|要在-10 dB以下，并兼顾天线的辐射增益、更低的谐振频率。选取了分别对应与天线性能最优的数值进行弯曲折叠单极子天线的设计，天线的结构参数如表1所示。

表1 天线结构参数

2 天线的电感加载

在天线结构上进行改进后，的确会使天线的电尺寸得到缩小。但在不改变天线尺寸的前提下想要进一步缩小天线，再从结构上下功夫会较为困难。此时可以借助集总元器件的特性，在输入阻抗中对呈现感抗的频点进行容性加载，又或是在输入阻抗中对呈现容性的频点进行感性加载，这样的好处是可以不改变原有天线的结构，而是通过外加的电容电感去抵消天线输入阻抗中的电抗，从而使天线谐振点往低频移动。

上节中设计的弯曲折叠单极子天线的输入阻抗特性曲线如图5所示，可以看出在350 MHz之前，天线的阻抗虚部都是呈容性，所以可以使用电感加载来抵消低频段的容抗，使得天线谐振点向低频处移动。

图5 天线的输入阻抗特性曲线

查看天线表面的电流分布，如图6所示，发现在第一段弯折线入口处，天线有较大的电流。在电流较大的地方，辐射性能也会比其他地方更强，于是在此处切开一个1.5 mm的槽，尝试进行感性加载来补偿天线低频处的容抗，使谐振点向低频移动，达到小型化的目的。

图6 天线表面电流分布图

在第一段弯折线入口处加载了不同感值的电感后，天线的|S11|曲线如图7所示，图7给出了仿真中电感值在1～90 nH的不同电感数值下，天线的|S11|曲线的移动情况。

图7 仿真加载不同电感值对天线|S11|的影响

仿真结果表明，进行电感加载后天线的谐振点向低频端移动，频率变化的带宽(|S11|<-10 dB)为390.7～282.5 MHz，这说明引入的电感补偿了低频处的容抗，使得天线谐振点向低频移动。

3 天线加工与实测

为了验证仿真设计的准确性，对天线进行了实际的加工测试，介质基板采用厚度为1.5 mm的Rogers4003，介电常数为3.55，损耗角正切0.002 7。天线的加工实物图如图8所示。

(a) 天线正面

然后对天线进行了端口反射系数的测试，由于该天线为电小天线，所以在测试过程中要避免人体离天线太近，避免手拿天线进行测试。测试仪器为安捷伦型号的矢量网络分析仪，进行矢网校准后将天线和同轴线连接到一起，然后将天线放置到泡沫架上，等待数据稳定后保存数据，与仿真数据进行对比。图9天线仿真和实测的|S11|对比曲线。在误差范围内，可以认为仿真和实测基本一致，存在一些频率偏差的原因可能是加工精度未达到仿真要求、SMA接口处的焊接误差等。

图9 仿真与实测|S11|对比

天线在395 MHz频点处的仿真和实测方向图如图10所示，天线具有全向辐射特性，最大辐射增益可达1.2 dBi。

(a) E面方向图

如图11所示，在天线中间的第一段弯折线处进行了电感加载实测，此处空出了1.5 mm的空隙，便于焊接电感器件。

图11 加载电感的天线实物图

实测加载不同电感值的天线|S11|曲线如图12所示，可以看到，随着电感数值的增大，天线谐振点也在逐渐向低频处移动。天线谐振频率从无加载的373 MHz，经过加载电感后，最低谐振频率为267 MHz，实现了106 MHz的变频带宽，实测结果和仿真结果存在一些偏差，主要原因可能是电感焊接处有虚焊，但总体上仿真结果和实测结果吻合。

图12 实测加载不同电感值对天线|S11|的影响

天线加载15 nH电感后，在谐振点362 MHz处的二维方向图如图13所示。

(a) E面方向图

4 结论

通过弯曲折叠、引入开槽孔，并在弯折线前端加载电感的方式，设计了一款小型化频率可变的电小单极子天线。天线通过加载不同电感值的电感器件，谐振频率从373 MHz降低到了267 MHz，实现了106 MHz的变频带宽，天线最小电尺寸为0.089λ。天线具有全向辐射特性，最大辐射增益可达1.2 dBi，该天线的设计为天线的小型化以及变频宽带工作提供了一种新思路。