低剖面小型化天线的设计

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天线结构与仿真分析

1双频小型化天线设计原理

图1为远端机天线安装结构图,可见对天线尺寸要求是低剖面且金属地宽度较窄。对辐射特性要求是垂直极化且具有全向性。要进行全向信号覆盖,单极子天线是设计的首选。而单极子需要四分之一波长的高度,信号要覆盖GSM900频段,则工作在频率f0(波长λ)的传统的单极子高度h为h=λ/4=c/(4×f0)≈83mm(1)式中,c为真空介质中的光速。高度显然太大了。降低单极子高度的方法有很多,其中最经典的就是顶部加载[2]的方法。然而直接加载有两个缺点:一是对单极子的辐射性能有很大影响,直接导致全向性变差,在限制金属地尺寸(金属地较小)的情况下,全向性更差,在2.5GHz或更高频点时方向图甚至有零点;二是会影响天线在高频段的辐射性能和阻抗特性,使S参数变得发散。为此本文根据寄生耦合[4]的原理设计一款在单极子顶部通过寄生耦合加载的低剖面天线。通过调节加载耦合大小,既调节了天线的阻抗带宽也减小了加载板对单极子方向图的影响,从而保证其全向性。由于椭圆形单极子可以在很宽的频带内获得良好的阻抗特性,因此,本文选用椭圆形金属片作为单极子主辐射体[5]。如图2所示,椭圆铜片为单极子主辐射体,厚度为0.5mm。单极子辐射体顶部是寄生耦合的单面环氧板,寄生板两边的不对称是为了调整阻抗特性稳定。且单极子顶部高过加载板上表面1mm,调整该高度对耦合大小有一定的影响,但主要的耦合大小是通过调节图2(b)中顶部覆铜层中的耦合矩形的长L和宽W。单极子底部通过微带馈电网络给它匹配馈电,板材采用介电常数为2•65的FR4,厚度为1mm。天线置于190mm×40mm金属地的正中央。整个天线高度为35mm,约为900MHz频点的0•1个波长。

2仿真分析

本设计使用仿真软件AnsoftHFSS13.0建模仿真。通过调节加载板上耦合矩形的长L和宽W,使天线的S参数更收敛后再通过匹配电路来对其匹配。最终调整得耦合处W=3mm,L=22mm。图3为其仿真的驻波比。可见其在824~960MHz和1710~2690MHz频带内驻波基本小于2。高频驻波带宽比低频要宽的结果是由于对垂直高度的限制致使低频段的阻抗特性发散而难以匹配。

实物测试

根据仿真模型制作了天线实物,并用PVC(PolyvinylChloride)材料制作相应天线罩的实物,如图4所示。图5为AglientE5071C实测驻波结果。驻波带宽为811~1050MHz/1580~2660MHz。与仿真结果有一定的区别,这是由于软件建模及其计算过程存在一定理想化的处理,且实际制作装配也有一定的工差。在微波暗室中对该天线进行了相应的方向图测试,其在0.91GHz和2.3GHz处的水平面方向图仿真与测试结果对比如图6~7所示。从上图可见,实测在0.91GHz和2.3GHz处分别有2.25dB和3.37dB增益,并有着不错的全向性,该天线仿真与实测的方向图比较一致。综上,可见该低剖面天线的实际测试电路参数和辐射参数均满足设计指标要求和功能需求。

结论

本文基于耦合加载的思想设计了一款用于分布系统中远端机的低剖面小型化天线。与传统全向天线相比,它在小金属地、低剖面情况下提供了宽频段信号覆盖。以软件仿真结果为基础制作了实物,并对实物进行了实际测量,测试结果基本符合设计指标要求和功能需求。该设计具有很好的实用价值,为小型化宽频带全向天线提供了一种参考。下一步研究的重点是:尽一步减天线的尺寸以适应远端机系统小型化的发展,并将其驻波比优化到1•5以下。（本文作者：宋阳、薛锋章 单位：华南理工大学电子与信息学院）