基于耦合加載的低剖面天線設(shè)計(jì)?

宋陽??，薛鋒章

（華南理工大學(xué)電子與信息學(xué)院，廣州510640）

基于耦合加載的低剖面天線設(shè)計(jì)?

宋陽??，薛鋒章

（華南理工大學(xué)電子與信息學(xué)院，廣州510640）

設(shè)計(jì)了一種小型化雙頻天線。通過在單極子天線上引入寄生耦合的方法，即在單極子頂部引入耦合加載板，既保證了單極子天線的輻射全向性又減小了電小天線的分布電容，從而使該天線具有寬頻帶、低剖面特性。采用仿真軟件Ansoft HFSS進(jìn)行仿真和優(yōu)化，優(yōu)化結(jié)果表明：該天線工作頻率為824～960 MHz/1 710～2 690 MHz（駐波比小于等于2）。根據(jù)仿真模型制作了一款天線，實(shí)測(cè)駐波帶寬可達(dá)811～1 050 MHz/1 580～2 660 MHz，且在水平面內(nèi)輻射全向方向圖。該天線在限制尺寸的情況下有效地展寬了帶寬。

無線光纖分布系統(tǒng)；單極子；低剖面天線；耦合加載

1 引言

目前，室內(nèi)覆蓋常采用的方案是由信號(hào)源與天線、饋線分布系統(tǒng)組成。而這種建設(shè)方法需要大量使用無源功分器、耦合器等，這會(huì)導(dǎo)致整體網(wǎng)絡(luò)質(zhì)量下降。隨著用戶對(duì)通信質(zhì)量的要求越來越高以及對(duì)建網(wǎng)工程越來越重視，無線光纖分布系統(tǒng)正逐步取代傳統(tǒng)室內(nèi)覆蓋方式。無線光纖分布系統(tǒng)以光纖或者固話網(wǎng)線代替饋線傳輸，可大大降低工程施工的難度，數(shù)字傳輸技術(shù)的使用也大大提高了系統(tǒng)效率等優(yōu)點(diǎn)［1］。該系統(tǒng)中的遠(yuǎn)端機(jī)單元對(duì)天線提出了低剖面、限制金屬地尺寸（金屬地?。?、寬頻帶等需求。因此設(shè)計(jì)一款在低剖面、窄金屬地情況下保證輻射性能和頻帶帶寬的天線有十分重要的現(xiàn)實(shí)意義。

國(guó)內(nèi)外一些研究機(jī)構(gòu)也對(duì)全向天線做了一些較為深入的研究。如文獻(xiàn)［2］提出的吸頂全向天線能提供良好的輻射特性并有著良好的駐波比帶寬，但該天線需要有足夠大的金屬地來實(shí)現(xiàn)，且天線高度尺寸較大。文獻(xiàn)［3］提出的多頻段PIFA天線有著小尺寸、低剖面的優(yōu)點(diǎn)，但PIFA天線全向性差，水平面存在覆蓋零點(diǎn)。

本文在常規(guī)單極子天線基礎(chǔ)上引入耦合加載，在限定金屬地尺寸內(nèi)實(shí)現(xiàn)了良好的全向輻射特性，并且有著較寬的頻帶帶寬。因此，它結(jié)合了耦合天線的小尺寸特點(diǎn)與單極子良好輻射特性優(yōu)點(diǎn)，特別適合應(yīng)用于無線光纖分布系統(tǒng)中的遠(yuǎn)端機(jī)。

2 天線結(jié)構(gòu)與仿真分析

2.1 雙頻小型化天線設(shè)計(jì)原理

圖1為遠(yuǎn)端機(jī)天線安裝結(jié)構(gòu)圖，可見對(duì)天線尺寸要求是低剖面且金屬地寬度較窄。對(duì)輻射特性要求是垂直極化且具有全向性。

要進(jìn)行全向信號(hào)覆蓋，單極子天線是設(shè)計(jì)的首選。而單極子需要四分之一波長(zhǎng)的高度，信號(hào)要覆蓋GSM900頻段，則工作在頻率f0（波長(zhǎng)λ）的傳統(tǒng)的單極子高度h為

式中，c為真空介質(zhì)中的光速。

高度顯然太大了。降低單極子高度的方法有很多，其中最經(jīng)典的就是頂部加載［2］的方法。然而直接加載有兩個(gè)缺點(diǎn)：一是對(duì)單極子的輻射性能有很大影響，直接導(dǎo)致全向性變差，在限制金屬地尺寸（金屬地較小）的情況下，全向性更差，在2.5 GHz或更高頻點(diǎn)時(shí)方向圖甚至有零點(diǎn)；二是會(huì)影響天線在高頻段的輻射性能和阻抗特性，使S參數(shù)變得發(fā)散。為此本文根據(jù)寄生耦合［4］的原理設(shè)計(jì)一款在單極子頂部通過寄生耦合加載的低剖面天線。通過調(diào)節(jié)加載耦合大小，既調(diào)節(jié)了天線的阻抗帶寬也減小了加載板對(duì)單極子方向圖的影響，從而保證其全向性。由于橢圓形單極子可以在很寬的頻帶內(nèi)獲得良好的阻抗特性，因此，本文選用橢圓形金屬片作為單極子主輻射體［5］。

如圖2所示，橢圓銅片為單極子主輻射體，厚度為0.5mm。單極子輻射體頂部是寄生耦合的單面環(huán)氧板，寄生板兩邊的不對(duì)稱是為了調(diào)整阻抗特性穩(wěn)定。且單極子頂部高過加載板上表面1 mm，調(diào)整該高度對(duì)耦合大小有一定的影響，但主要的耦合大小是通過調(diào)節(jié)圖2（b）中頂部覆銅層中的耦合矩形的長(zhǎng)L和寬W。單極子底部通過微帶饋電網(wǎng)絡(luò)給它匹配饋電，板材采用介電常數(shù)為2.65的FR4，厚度為1mm。天線置于190mm×40mm金屬地的正中央。整個(gè)天線高度為35mm，約為900 MHz頻點(diǎn)的0.1個(gè)波長(zhǎng)。

圖2 天線的結(jié)構(gòu)Fig.2 Geometry of the antenna

2.2 仿真分析

本設(shè)計(jì)使用仿真軟件Ansoft HFSS13.0建模仿真。通過調(diào)節(jié)加載板上耦合矩形的長(zhǎng)L和寬W，使天線的S參數(shù)更收斂后再通過匹配電路來對(duì)其匹配。最終調(diào)整得耦合處W＝3mm，L＝22mm。圖3為其仿真的駐波比?？梢娖湓?24～960 MHz和1 710～2 690 MHz頻帶內(nèi)駐波基本小于2。高頻駐波帶寬比低頻要寬的結(jié)果是由于對(duì)垂直高度的限制致使低頻段的阻抗特性發(fā)散而難以匹配。

圖3 天線駐波的仿真值Fig.3 Simulated VSWR of the antenna

3 實(shí)物測(cè)試

根據(jù)仿真模型制作了天線實(shí)物，并用PVC（Polyvinyl Chloride）材料制作相應(yīng)天線罩的實(shí)物，如圖4所示。

圖4 天線實(shí)物圖Fig.4 Photograph of the antenna

圖5為Aglient E5071C實(shí)測(cè)駐波結(jié)果。駐波帶寬為811～1 050 MHz/1 580～2 660 MHz。與仿真結(jié)果有一定的區(qū)別，這是由于軟件建模及其計(jì)算過程存在一定理想化的處理，且實(shí)際制作裝配也有一定的工差。

圖5 天線駐波的實(shí)測(cè)值Fig.5 Measured VSWR of the antenna

在微波暗室中對(duì)該天線進(jìn)行了相應(yīng)的方向圖測(cè)試，其在0.91 GHz和2.3 GHz處的水平面方向圖仿真與測(cè)試結(jié)果對(duì)比如圖6～7所示。

圖6 0.91 GHz時(shí)水平面方向圖的仿真與實(shí)測(cè)值Fig.6 Measured and simulated horizontal pattern of the antenna at0.91 GHz

圖7 2.3 GHz時(shí)天線水平面方向圖的仿真與實(shí)測(cè)值Fig.7 Measured and simulated horizontal pattern of the antenna at2.3 GHz

從上圖可見，實(shí)測(cè)在0.91 GHz和2.3 GHz處分別有2.25 dB和3.37 dB增益，并有著不錯(cuò)的全向性，該天線仿真與實(shí)測(cè)的方向圖比較一致。

綜上，可見該低剖面天線的實(shí)際測(cè)試電路參數(shù)和輻射參數(shù)均滿足設(shè)計(jì)指標(biāo)要求和功能需求。

4 結(jié)論

本文基于耦合加載的思想設(shè)計(jì)了一款用于分布系統(tǒng)中遠(yuǎn)端機(jī)的低剖面小型化天線。與傳統(tǒng)全向天線相比，它在小金屬地、低剖面情況下提供了寬頻段信號(hào)覆蓋。以軟件仿真結(jié)果為基礎(chǔ)制作了實(shí)物，并對(duì)實(shí)物進(jìn)行了實(shí)際測(cè)量，測(cè)試結(jié)果基本符合設(shè)計(jì)指標(biāo)要求和功能需求。該設(shè)計(jì)具有很好的實(shí)用價(jià)值，為小型化寬頻帶全向天線提供了一種參考。下一步研究的重點(diǎn)是：盡一步減天線的尺寸以適應(yīng)遠(yuǎn)端機(jī)系統(tǒng)小型化的發(fā)展，并將其駐波比優(yōu)化到1.5以下。

［1］蘇華鴻，孫孺石，薛鋒章，等.蜂窩移動(dòng)通信射頻工程［M］.北京：人民郵電出版社，2005：23－26. SU Hua-hong，SUNRu-shi，XUEFeng-zhang，etal.RFEngineering for Cellular Mobile Communications［M］.Beijing：Posts＆Telecom Press，2005：23－26.（in Chinese）

［2］薛鋒章.一種用于移動(dòng)通信的室內(nèi)多波段吸頂天線：中國(guó)，02134538.4［P］.2005－05－04. XUE Feng-zhang.An indoormulti-band ceiling-mounted antenna for mobile communications：China，02134538.4［P］. 2005－05－04.（in Chinese）

［3］李元國(guó)，金燦洙.多頻帶PIFA天線：中國(guó)，201120239400.X［P］.2012－04－18. LIYuan-guo，JINCan-zhu.Multi-band PIFA antenna：China，201120239400.X［P］.2012－04－18.（in Chinese）

［4］Kraus JD，Marhefka R J.Antennas：For all applications，third Edition［M］.Beijing：Publishing House of Electronic Industry，2006：242－245.

［5］劉聰，薛鋒章.一種用于隧道覆蓋的超寬帶單極子天線［J］.電訊技術(shù)，2010，50（10）：69－72. LIU Cong，XUE Feng-zhang.An Ultra Wideband Monopole Antenna for the Mantling of Tunnel［J］.Telecommunication Engineering，2010，50（10）：69－72.（in Chinese）

宋陽（1988—），男，湖北黃岡人，2010年獲學(xué)士學(xué)位，現(xiàn)為碩士研究生，主要研究方向?yàn)橐苿?dòng)通信室內(nèi)分布天線和微波濾波器；

SONG Yang was born in Huanggang，Hubei Province，in 1988.He is now a graduate student.His research direction is indoor distributed antenna for mobile communications and andmicrowave filter.

Email：songy88＠126.com

薛鋒章（1963—），男，江西吉安人，1986年于南京電子工程研究中心獲工學(xué)碩士學(xué)位，現(xiàn)為研究員，主要研究方向?yàn)橐苿?dòng)通信天線。

XUE Feng-zhang was born in Ji′an，Jiangxi Province，in 1963.He received theM.S.degree in 1986.He isnow a senior engineer of professor.His research direction is antenna formobile communications.

Email：eefzxue＠scut.edu.cn

SONG Yang，XUE Feng-zhang
（School of Electronic and Information Engineering，South China University of Technology，Guangzhou 510640，China）

Aminiaturized dual-band antenna is proposed.By adding coupling-load electric board，the antenna can achieve broad bandwidth with a low profile.Ansoft HFSS is used to simulate and design a low-profile antenna based on coupling-load which VSWR is less than 2 in the 824～960 MHz and 1710～2 690 MHz.Finally，an antenna is fabricated based on the simulationmodel.Themeasured VSWR is less than 2 in 811～1 050 MHz and 1 580～2 660 MHz，and the horizontal radiation pattern is omnidirectional.The antenna has a broad bandwidth with a restricted size.

wireless fiber distribution system；monopole；low-profile antenna；coupling-load

TN823.11

A

1001－893X（2013）02－0205－04

10.3969/j.issn.1001－893x.2013.02.018

2012－06－11；

2012－09－19 Received date：2012－06－11；Revised date：2012－09－19

??通訊作者：songy88＠126.com Corresponding author：songy88＠126.com

Design of a Coupling-load-based Low-profile Antenna