微帶偶極子天線的小型化改進(jìn)設(shè)計(jì)

于 臻

(1.華北科技學(xué)院電子信息工程學(xué)院，北京 東燕郊 101601;2.北京郵電大學(xué)電子工程學(xué)院，北京 100876)

0 引言

隨著無(wú)線電通信技術(shù)的發(fā)展，寬頻帶和小型化是目前天線的主要研究方向［1－3］。印刷偶極子天線具有重量輕、體積小、成本低、便于集成和組成陣列等優(yōu)點(diǎn)，廣泛應(yīng)用于各種無(wú)線通信系統(tǒng)中。普通的印刷偶極子天線頻帶非常窄，目前可采用許多途徑來(lái)展寬其頻帶，如平面Balun偶極子天線，平行帶狀線饋電的雙面印刷偶極子天線等［4－7］。由于微帶天線具有重量輕、體積小、易于加載、制作精度高、穩(wěn)定性好的優(yōu)點(diǎn)，在各種小型化移動(dòng)終端設(shè)備中得到了廣泛應(yīng)用。本文設(shè)計(jì)制作了一種新型雙印刷寬帶天線，該天線將兩個(gè)長(zhǎng)度不同的偶極子臂印刷在薄介質(zhì)基片的兩面作為諧振單元，采用漸變結(jié)構(gòu)微帶線加平行帶狀線饋電，其中心工作頻率為2.45 GHz，采用HFSS軟件進(jìn)行建模仿真，并用PNA3621矢量網(wǎng)絡(luò)分析儀對(duì)制作的天線進(jìn)行了測(cè)試，測(cè)量結(jié)果與仿真結(jié)果較為吻合，天線性能較好。

1 偶極振子天線結(jié)構(gòu)和工作原理

對(duì)稱偶極振子天線是由兩根粗細(xì)和長(zhǎng)度都相同的導(dǎo)線構(gòu)成，中間為兩個(gè)饋電端，如圖1所示。

圖1 對(duì)稱振子輻射場(chǎng)

在振子上距中心z處取電流元段dz，用微元法可計(jì)算出它對(duì)遠(yuǎn)區(qū)場(chǎng)的貢獻(xiàn)為:

1.1 對(duì)稱偶極振子的方向特性

以波腹電流歸算的方向函數(shù)為:

上式為對(duì)稱偶極振子E面的方向函數(shù);在振子的H面上，方向函數(shù)與φ無(wú)關(guān)，其方向圖為圓。圖2為采用Matlab軟件對(duì)不同臂長(zhǎng)的水平對(duì)稱偶極振子E面歸一化方向圖仿真結(jié)果。

圖2 對(duì)稱偶極振子E面方向圖(其中，t=l/λ)

由圖可見(jiàn)，振子在其軸向無(wú)輻射，輻射與其電長(zhǎng)度l/密切相關(guān)。當(dāng)l≤0.5λ時(shí)，對(duì)稱振子上各點(diǎn)電流同相，因此參與輻射的電流元越多，它們?cè)讦?90°方向上的輻射越強(qiáng)，波瓣寬度越窄;當(dāng)l=0.5λ時(shí)，對(duì)稱振子上出現(xiàn)反相電流，也就開(kāi)始出現(xiàn)副瓣;當(dāng)電長(zhǎng)度繼續(xù)增大至l=0.72λ后，最大輻射方向?qū)l(fā)生偏移;當(dāng)l=λ時(shí)，在θ=90°的方向上就沒(méi)有輻射了［8］。

1.2 對(duì)稱偶極振子的阻抗特性

對(duì)稱偶極振子輸入阻抗對(duì)輸入端電流非常敏感，其實(shí)際電流分布與理想正弦分布在輸入端和波節(jié)處有一定的差別。為了較準(zhǔn)確地計(jì)算天線的輸入阻抗，常采用“等值傳輸線法”，偶極振子的平均特性阻抗為ZoA［9－10］:

其中，a為振子半徑。

對(duì)稱振子的輸入阻抗Zin為:

其中，α為衰減常數(shù)，β為傳輸線的相移常數(shù)。由上式可知，振子越粗，平均特性阻抗Z0A越低，振子的輸入阻抗隨電長(zhǎng)度的變化越平緩，有利于改善頻帶寬度。

1.3 微帶偶極子天線的結(jié)構(gòu)

將工作于半波狀態(tài)的對(duì)稱振子天線與微帶天線技術(shù)相結(jié)合。整個(gè)天線結(jié)構(gòu)分為5部分，即介質(zhì)層、偶極子天線臂、微帶巴倫線、微帶傳輸線和天線饋電面，如下圖所示。

圖3 印刷偶極子天線模型

其中，介質(zhì)層的材質(zhì)為相對(duì)介電常數(shù)εr=4.4的環(huán)氧樹(shù)脂玻璃纖維板(FR4)，采用雙面敷銅，構(gòu)成偶極子天線的兩臂、微帶饋線和微帶巴倫。激勵(lì)信號(hào)從天線饋電點(diǎn)處饋入，經(jīng)過(guò)微帶巴倫結(jié)構(gòu)和微帶傳輸線傳輸?shù)脚紭O子天線的兩個(gè)臂上。在微帶傳輸線上，電流方向相反，不會(huì)輻射電磁波。對(duì)于半波偶極子天線，天線兩個(gè)臂的總長(zhǎng)度約為1/2個(gè)工作波長(zhǎng)。偶極子天線是一個(gè)對(duì)稱結(jié)構(gòu)，傳輸線上的饋電電流必須是對(duì)稱分布的。在與SMA母座連接時(shí)，需要采用一個(gè)不平衡到平衡的轉(zhuǎn)換結(jié)構(gòu);另外，從阻抗匹配的角度，半波偶極子天線的輸入阻抗約為73.2 Ω，而饋電端口阻抗為50 Ω，需要采用巴倫實(shí)現(xiàn)阻抗匹配。圖中的三角形微帶巴倫和微帶傳輸線一起可以起到阻抗轉(zhuǎn)換的作用，相當(dāng)于1/4波長(zhǎng)阻抗轉(zhuǎn)換器。調(diào)節(jié)傳輸線的長(zhǎng)度和三角形的大小，可以改變饋電面的輸入阻抗。

1.4 微帶偶極子天線的結(jié)參數(shù)計(jì)算

本次設(shè)計(jì)的天線的中心頻率為2.45 GHz，若在自由空間中傳播，對(duì)應(yīng)的工作波長(zhǎng)約為122 mm，則半波偶極子天線兩個(gè)臂的總長(zhǎng)度約為61 mm;若在全部填充以FR4材質(zhì)的介質(zhì)中傳播，對(duì)應(yīng)的工作波長(zhǎng)約為58 mm，則半波長(zhǎng)偶極子天線兩個(gè)臂的總長(zhǎng)度約為29 mm。因?yàn)橛∷⑴紭O子天線同時(shí)包含介質(zhì)與自由空間，所以印刷偶極子天線臂的實(shí)際長(zhǎng)度應(yīng)該介于29 mm和61 mm之間，取二者的平均值45mm作為印刷偶極子天線兩個(gè)臂總長(zhǎng)度的初始值。傳輸線長(zhǎng)度L1為22 mm，對(duì)于三角形的微帶巴倫結(jié)構(gòu)，兩個(gè)直角邊的長(zhǎng)度初始值分別取12 mm和10 mm，金屬傳輸線的寬度初始值都取3 mm。

2 偶極子微帶天線建模與性能仿真

設(shè)計(jì)中采用Ansoft HFSS軟件搭建天線模型并進(jìn)行仿真分析。偶極子微帶天線模型如圖3所示。采用集總端口激勵(lì)，求解頻率設(shè)置為2.45 GHz，掃頻范圍為 2 GHz～3 GHz，選擇快速(Fast)掃頻類型，經(jīng)過(guò)仿真，得到天線的方向圖、回波損耗和輸入阻抗等特性曲線，如圖4，5所示。

圖4 印刷偶極子天線3D方向圖

從仿真結(jié)果可以看出，天線的方向性很好。從天線的駐波比和回波損耗特性曲線得到，回波損耗－10 dB相對(duì)帶寬 BW=(2.729/2.256)/2.45=19.3%，在中心頻率2.45 GHz處的VSWR為接近1，結(jié)果比較理想。

3 天線測(cè)試分析

制作的印刷偶極子變形天線實(shí)物如圖6所示。

圖5 印刷偶極子天線駐波比及回波損耗曲線

圖6 印刷偶極子天線

使用普納公司PNA3621型矢量網(wǎng)絡(luò)分析儀及測(cè)試轉(zhuǎn)臺(tái)對(duì)該所設(shè)計(jì)的天線進(jìn)行阻抗特性和方向及增益特性的測(cè)試。采用電橋法對(duì)偶極子天線的回波損耗、電壓駐波比等阻抗特性進(jìn)行測(cè)試，如圖7所示。

另外，采取旋轉(zhuǎn)天線法測(cè)試天線的增益和方向性:將待測(cè)天線固定于測(cè)試云臺(tái)上，通過(guò)方向控制器控制天線在水平面內(nèi)旋轉(zhuǎn)360°，接收天線接收來(lái)自云臺(tái)上發(fā)射天線的場(chǎng)強(qiáng)，經(jīng)過(guò)處理后得到測(cè)試結(jié)果［11］。

圖7 印刷偶極子天線阻抗特性測(cè)試場(chǎng)景

測(cè)試頻率范圍為2.2 GHz～2.7 GHz，以10 MHz為間隔，共選取51個(gè)采樣測(cè)試點(diǎn)，測(cè)得天線輸入端電壓駐波比(VSWR)及回波損耗(RL)曲線和E面方向圖，如圖8所示。

圖8 印刷偶極子天線測(cè)試結(jié)果

4 結(jié)論

從阻抗特性測(cè)試圖中可以看出，在2.2 GHz～2.7 GHz帶寬內(nèi)，駐波比小于2.8，在2.45 GHz處的駐波比VSWR=1.5，整個(gè)測(cè)試頻段內(nèi)回波損耗RL＜－9 dB，與仿真結(jié)果比較吻合，天線性能較好。造成這種現(xiàn)象的主要原因，是天線在制作工藝上會(huì)存在一定的誤差，另外，天線與饋線連接處由于焊接的原因，造成阻抗不匹配所致。從方向圖中可以看出，天線方向圖對(duì)稱性比較好，旁瓣數(shù)目比較少，方向圖不平滑呈鋸齒狀是由于試驗(yàn)室的空間測(cè)試環(huán)境有限，造成電波多次反射后進(jìn)入測(cè)試天線所致。

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