新型非對(duì)稱(chēng)彎折電小平面偶極子天線(xiàn)

周玉婷,陳 星

(四川大學(xué) 電子信息學(xué)院，四川 成都 610065)

0 引言

短波和超短波[1-3]的波長(zhǎng)長(zhǎng)，傳播和繞射能力強(qiáng)，在存在眾多遮擋物、復(fù)雜地形環(huán)境以及遠(yuǎn)距離通信中發(fā)揮著重要作用。但短波和超短波的數(shù)米至上百米的波長(zhǎng)造成常規(guī)情況下天線(xiàn)物理尺寸龐大[4]。特別在背負(fù)式通信和車(chē)載通信等應(yīng)用場(chǎng)景中，天線(xiàn)尺寸受到嚴(yán)格限制，通常要求天線(xiàn)被設(shè)計(jì)為電小天線(xiàn)。因此，電小天線(xiàn)[5]在許多受限場(chǎng)景中具有重要應(yīng)用價(jià)值。

H.A.Wheeler[6]在1948年給出了電小天線(xiàn)的定義。若某天線(xiàn)為電小天線(xiàn)，則必須滿(mǎn)足：L<λ/2π(≈0.16λ),其中λ為天線(xiàn)工作頻率對(duì)應(yīng)的波長(zhǎng)。因其重要的應(yīng)用價(jià)值，電小天線(xiàn)一直是天線(xiàn)領(lǐng)域的研究熱點(diǎn)。其設(shè)計(jì)迄今主要面臨著2個(gè)方面的技術(shù)挑戰(zhàn)。一方面，如何盡可能地降低天線(xiàn)的整體尺寸，以滿(mǎn)足特殊應(yīng)用場(chǎng)景的空間要求；另一方面，在保證天線(xiàn)電尺寸較小的前提下，如何擴(kuò)展其工作帶寬也是電小天線(xiàn)設(shè)計(jì)過(guò)程中急待解決的難題。例如,文獻(xiàn)[7-8]中提到的EZ平面天線(xiàn)和槽天線(xiàn)，通過(guò)彎折方式,天線(xiàn)尺寸被縮小到0.08λ以下。但它們需要一個(gè)相對(duì)較大的地平面，這使整體天線(xiàn)尺寸變大，不利于天線(xiàn)小型化。Ziolkowski[9]團(tuán)隊(duì)利用殼層加載方式設(shè)計(jì)了一款電小電偶極子天線(xiàn)，天線(xiàn)尺寸在工作頻點(diǎn)處有0.14λ,但相對(duì)帶寬僅有2.1%。Jihun Choi[10]設(shè)計(jì)用于超短波通信的對(duì)稱(chēng)折疊偶極子天線(xiàn)，雖然能實(shí)現(xiàn)天線(xiàn)尺寸的縮減，但結(jié)構(gòu)復(fù)雜，加工難度大，在40.01 MHz的相對(duì)帶寬僅有0.28%。文獻(xiàn)[11]提出的由多個(gè)諧振環(huán)組成的螺旋天線(xiàn)，相對(duì)帶寬只有0.15%。

針對(duì)當(dāng)前電小天線(xiàn)設(shè)計(jì)中存在尺寸大、帶寬窄的不足，設(shè)計(jì)了一款非對(duì)稱(chēng)彎折電小偶極子平面天線(xiàn)。通過(guò)采用非對(duì)稱(chēng)彎折技術(shù)，將偶極子天線(xiàn)由長(zhǎng)條形變形為非均勻?qū)挾群烷g距的彎折曲線(xiàn)，實(shí)現(xiàn)了天線(xiàn)小型化，擴(kuò)展了天線(xiàn)帶寬，最后通過(guò)枝節(jié)加載方式，進(jìn)一步改善了天線(xiàn)阻抗匹配。

1 天線(xiàn)設(shè)計(jì)與結(jié)構(gòu)

1.1 天線(xiàn)演變

偶極子天線(xiàn)是最常見(jiàn)的天線(xiàn)類(lèi)型之一[12]，其輻射振子在常規(guī)設(shè)計(jì)下通常為1/2λ，彎折偶極子天線(xiàn)輻射振子是一種應(yīng)用廣泛的電小天線(xiàn)設(shè)計(jì)技術(shù),通過(guò)對(duì)天線(xiàn)高度、寬度和陣子間距的多次彎折改變天線(xiàn)工作頻率、阻抗特性和帶寬特性[13]，最終實(shí)現(xiàn)小型化。偶極子天線(xiàn)彎折技術(shù)[14]是指將天線(xiàn)2個(gè)輻射振子由長(zhǎng)條形變形為彎折曲線(xiàn)，從而在保持振子總長(zhǎng)度(天線(xiàn)表面電流流動(dòng)路徑長(zhǎng)度)不變條件下，大幅度縮減天線(xiàn)的長(zhǎng)寬尺寸，達(dá)到減小天線(xiàn)總體尺寸的目的。針對(duì)傳統(tǒng)的偶極子天線(xiàn)，可以采用2類(lèi)彎折技術(shù)來(lái)實(shí)現(xiàn)其小型化，即：對(duì)稱(chēng)彎折和非對(duì)稱(chēng)彎折,分別如圖1(a)和圖1(b)所示。其中,h1>h2>l1>h3>h4>h5。

考慮到天線(xiàn)的簡(jiǎn)潔性和易加工性，本文采用非對(duì)稱(chēng)彎折技術(shù)設(shè)計(jì)了一款電小平面偶極子天線(xiàn)。該天線(xiàn)由圖1(b)中⑥號(hào)彎折方式優(yōu)化而來(lái)，優(yōu)化過(guò)程中，保持天線(xiàn)長(zhǎng)寬高與⑥號(hào)天線(xiàn)的長(zhǎng)寬高一致,長(zhǎng)寬高分別為670 mm×300 mm×10 mm。優(yōu)化過(guò)程如圖2所示。

(a) 對(duì)稱(chēng)彎折

(b) 非對(duì)稱(chēng)彎折圖1 2類(lèi)彎折技術(shù)Fig.1 Two types of bending techniques

圖2 天線(xiàn)優(yōu)化過(guò)程Fig.2 Antenna optimization process diagram

從圖2可以看出，⑦號(hào)天線(xiàn)是將⑥號(hào)天線(xiàn)的較長(zhǎng)振子中間部位引出了一條彎折線(xiàn)，有效增加了振子總長(zhǎng)度，使得天線(xiàn)表面電流流動(dòng)路徑變大。

天線(xiàn)優(yōu)化仿真結(jié)果如圖3所示。從圖3(a)可以看出，天線(xiàn)工作頻點(diǎn)從64.7 MHz降低到45.8 MHz，但是|S11|<-10 dB的相對(duì)帶寬從1.2%(64.2～65.0 MHz)減小到0.8%(45.6～46 MHz)。為了改善帶寬，將⑦號(hào)天線(xiàn)的彎折線(xiàn)進(jìn)行優(yōu)化，使得組成天線(xiàn)的彎折線(xiàn)具有非均勻的金屬線(xiàn)寬度和間距。該非均勻彎折線(xiàn)給天線(xiàn)設(shè)計(jì)提供了更大的設(shè)計(jì)自由度。由天線(xiàn)回波損耗仿真曲線(xiàn)得出，通過(guò)加粗非均勻金屬線(xiàn)后，天線(xiàn)工作頻點(diǎn)從45.8 MHz降低到42.9 MHz，|S11|<-10 dB的相對(duì)帶寬由0.8%增加到2.3%(42.4～43.4 MHz),因此，部分加粗非均勻彎折線(xiàn)可以進(jìn)一步提高天線(xiàn)的工作帶寬。

⑨號(hào)天線(xiàn)是在⑧號(hào)天線(xiàn)的較短輻射振子終端加載了一根短枝節(jié)，目的是進(jìn)一步改善天線(xiàn)的阻抗特性。從天線(xiàn)輸入阻抗仿真曲線(xiàn)可以看到，天線(xiàn)工作頻點(diǎn)由42.9 MHz降低到40.7 MHz，天線(xiàn)更加小型化，天線(xiàn)實(shí)部增大，從30.70 Ω增大到48.65 Ω，逐漸接近50 Ω，虛部逐漸接近零，改善了天線(xiàn)阻抗匹配。

(a) 天線(xiàn)回波損耗仿真圖

(b) 天線(xiàn)輸入阻抗仿真圖圖3 天線(xiàn)優(yōu)化仿真結(jié)果Fig.3 Simulation results of antenna optimization

天線(xiàn)優(yōu)化后，電尺寸大大減小，工作頻點(diǎn)從⑥號(hào)的64.7 MHz降低到⑨號(hào)的40.7 MHz，相對(duì)帶寬(|S11|<-10 dB)在優(yōu)化前基礎(chǔ)上增加了1.1%，阻抗特性也得到了改善。

1.2 結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)

采用非對(duì)稱(chēng)彎折技術(shù)設(shè)計(jì)的電小平面偶極子天線(xiàn)結(jié)構(gòu)圖如圖4所示。

(a) 正面圖(較長(zhǎng)振子)

(b) 側(cè)面圖及饋電結(jié)構(gòu)

(c) 反面圖(較短振子)

該天線(xiàn)是將⑨號(hào)天線(xiàn)繞x軸順時(shí)針旋轉(zhuǎn)90°放置。該天線(xiàn)輻射主體采用厚度為0.065 mm的銅箔材料制成，支撐基板采用超細(xì)孔、密度大的PMI泡沫板制作，其相對(duì)介電常數(shù)接近于1，厚度d=10 mm。通過(guò)特性阻抗為50 Ω的SMA連接器進(jìn)行底部饋電，其內(nèi)外導(dǎo)體分別連接較長(zhǎng)振子和較短振子，饋電點(diǎn)分別為a和b,最終形成一個(gè)非對(duì)稱(chēng)彎折平面電小偶極子天線(xiàn)。經(jīng)優(yōu)化后的天線(xiàn)結(jié)構(gòu)參數(shù)值如表1所示。

表1 天線(xiàn)結(jié)構(gòu)參數(shù)

2 仿真與測(cè)試分析

本文所設(shè)計(jì)的非對(duì)稱(chēng)彎折電小平面偶極子天線(xiàn)實(shí)物如圖5所示，該天線(xiàn)的物理尺寸為670 mm×300 mm×10 mm，電尺寸僅有0.09λ×0.04λ×0.001 3λ(λ為測(cè)試中心工作頻點(diǎn)40.3 MHz對(duì)應(yīng)的波長(zhǎng))。

(a) 正面圖(較長(zhǎng)振子)

(b) 反面圖(較短振子)

使用安捷倫矢量網(wǎng)絡(luò)分析儀對(duì)安裝好的天線(xiàn)進(jìn)行測(cè)試，VSWR實(shí)測(cè)值與仿真值對(duì)比如圖6所示，測(cè)試中天線(xiàn)絕對(duì)帶寬(VSWR<2.5)為1.2 MHz，相對(duì)帶寬約為3%。相對(duì)帶寬在仿真結(jié)果上增加了0.7%，天線(xiàn)的諧振點(diǎn)從40.7 MHz降低到40.3 MHz，這是由于彎折線(xiàn)受到加工精度和安裝誤差的影響，使得彎折線(xiàn)寬度和間隙成不均勻分布，導(dǎo)致天線(xiàn)的測(cè)試帶寬略寬于仿真帶寬，諧振點(diǎn)往低頻移動(dòng)。

圖6 天線(xiàn)VSWR實(shí)測(cè)與仿真對(duì)比Fig.6 Comparison between antenna VSWR measurement and simulation

由于天線(xiàn)工作在超短波頻帶，測(cè)試環(huán)境受到了嚴(yán)格限制，因此僅對(duì)天線(xiàn)進(jìn)行了方向圖仿真。為模擬天線(xiàn)在使用過(guò)程中受地面影響，仿真中在天線(xiàn)下方1 m處放置一塊無(wú)限大PEC。非對(duì)稱(chēng)彎折電小平面偶極子天線(xiàn)在諧振頻點(diǎn)40.7 MHz處的仿真輻射方向圖如圖7所示。

(a) zoy面

(b) xoy面圖7 非對(duì)稱(chēng)彎折電小平面偶極子天線(xiàn)輻射圖Fig.7 Radiating pattern of an asymmetrically bended electrically small planar dipole antenna

天線(xiàn)在xoy面方向圖僅在上半空間分布，zoy面的增益最高達(dá)到-3.1 dBi，由于該天線(xiàn)不是嚴(yán)格的軸對(duì)稱(chēng)結(jié)構(gòu)，因此造成了xoy面方向圖的不對(duì)稱(chēng)。

3 結(jié)束語(yǔ)

本文提出了一種新型的非對(duì)稱(chēng)彎折電小平面偶極子天線(xiàn)。采用非對(duì)稱(chēng)彎折技術(shù)，在傳統(tǒng)偶極子天線(xiàn)的基礎(chǔ)上進(jìn)行了改進(jìn)，通過(guò)對(duì)彎折線(xiàn)的個(gè)數(shù)、寬度和間距進(jìn)行優(yōu)化，結(jié)合枝節(jié)加載，有效改善了天線(xiàn)工作頻點(diǎn)、帶寬和阻抗特性。較一般的電小天線(xiàn)，具有更小電尺寸和易加工的優(yōu)勢(shì)，因此，非對(duì)稱(chēng)彎折技術(shù)為天線(xiàn)的小型化和寬帶化設(shè)計(jì)提供了一種全新的思路。