折疊小型化超寬帶單錐天線設(shè)計

何昱燃，陳 星

（四川大學(xué) 電子信息學(xué)院，四川 成都 610065）

0 引 言

隨著現(xiàn)代移動通信系統(tǒng)的發(fā)展，要求通信設(shè)備具有更寬的帶寬、更小的尺寸以及全向輻射特性[1-3]。雙錐天線是一款具有較寬帶寬、良好的全向輻射特性的天線[4]。但是雙錐天線因為其尺寸較大，在很多實際工程應(yīng)用中受限，所以通過鏡像法演化而來的單錐天線可以在滿足雙錐天線輻射特性的同時，具有較小的尺寸[5]。

為了實現(xiàn)單錐天線的超寬帶和小型化，文獻(xiàn)[6]通過末端加載以及在單錐天線周圍加載環(huán)形金屬套筒，天線的 整 體 尺 寸 為0.33λmin×0.33λmin×0.072 5λmin，實 現(xiàn) 了114%的阻抗帶寬，但是金屬地的尺寸達(dá)到了0.75λmin。文獻(xiàn)[7]通過加載金屬圓盤以及增加正交臂和環(huán)形槽，將天線的高度由100 mm 降低到30 mm，天線實現(xiàn)了148%的阻抗帶寬，但是金屬地的大小仍有300 mm。文獻(xiàn)[8]通過折疊技術(shù)改變了地板的尺寸，地板尺寸為0.51λmin，實現(xiàn)了62.8%帶寬，天線的整體尺寸達(dá)到了37.8 mm×50 mm×60 mm。除此之外，介質(zhì)加載是一種常見的實現(xiàn)小型化的方式，也是一種容性加載，因為這種方式增加了天線的輻射主體和底面金屬地之間的容值。文獻(xiàn)[9]中提出了一種用介電常數(shù)9.0的介質(zhì)加載的單錐天線，天線地縮減了55.2%，實現(xiàn)了106.3%的阻抗帶寬。文獻(xiàn)[10]提出了一種加載短路金屬柱的方式，這是一種感性加載，由傳輸線的等效模型可知，短路金屬柱可以看作是一個電感元件，通過在單錐天線周圍加載短路金屬柱，以0.068λmin的剖面實現(xiàn)了100%的帶寬。因此對于單錐天線設(shè)計，一般都是頂部加載和短路加載混合使用[11-15]。

本文提出了一種新的單錐天線結(jié)構(gòu)，通過陣子折疊實現(xiàn)天線的小型化，同時在天線頂部進(jìn)行加載，選取表面電流較強(qiáng)的邊緣加載十字型的金屬面，增加了電流的流動路徑，在保持天線原本特性的同時，具有更低的剖面。然后在天線周圍加載圓柱形的金屬套筒，有效地改善了在高頻時的阻抗匹配，進(jìn)一步拓展了天線的帶寬，而且天線的金屬地大小僅為0.236λmin，在室內(nèi)基站、無人機(jī)機(jī)載通信上有較為廣泛的應(yīng)用。

1 設(shè)計原理

調(diào)節(jié)單錐天線的輸入阻抗，是設(shè)計單錐天線的關(guān)鍵所在。對于單錐天線的輸入阻抗可以用以下的解析式計算得到：

式中：

其中：β/α的物理意義是天線反射的電磁波振幅和向外傳播的電磁波振幅之比；pn是n階勒讓德多項式；bn是第二類球漢克爾函數(shù)。

由上述公式可知，通過錐角θ0以及母線長度l可以計算出天線的輸入阻抗，同時給定工作頻率的天線尺寸也可以通過上述公式計算出來。

2 設(shè)計思路

本文提出的天線是由交叉雙錐天線變形而來，通過折疊陣子實現(xiàn)天線的小型化，進(jìn)一步通過鏡像法使得天線由雙錐天線變成單錐天線實現(xiàn)天線的低剖面，通過頂端容性加載和短路金屬柱的感性加載，調(diào)節(jié)天線的輸入阻抗，實現(xiàn)天線的小型化，在天線周圍加載圓柱形的金屬套筒，進(jìn)一步拓展天線的帶寬，實現(xiàn)了小型化超寬帶單錐天線的設(shè)計。天線結(jié)構(gòu)的演化過程如圖1所示。

圖1 天線結(jié)構(gòu)的演化過程

3 天線結(jié)構(gòu)設(shè)計與分析

天線結(jié)構(gòu)如圖2 所示，具體的參數(shù)如表1 所示。天線主要由金屬地板、輻射主體、圓柱形套筒、頂部的十字型加載以及4 根金屬柱組成。金屬地板的大小僅為0.236λmin，輻射主體是由2 個四棱體正交組成，通過調(diào)整四棱體斜邊的夾角a，調(diào)節(jié)天線的阻抗匹配。天線的輻射主體的厚度為1 mm，十字形加載的金屬板、圓柱形套筒及金屬地的厚度均為0.5 mm。

圖2 天線結(jié)構(gòu)和尺寸

表1 天線的主要結(jié)構(gòu)參數(shù) mm

末端加載主要是通過調(diào)節(jié)天線在低頻處的輸入阻抗。如圖3 所示，在低頻處，未進(jìn)行末端加載的天線輸入阻抗變化較為劇烈，在末端加載后，頂部加載結(jié)構(gòu)和底面金屬面之間形成了分布電容，有效改善了天線在低頻處的輸入阻抗，變化較為平緩。因此，在低頻處產(chǎn)生了新的諧振點，降低了低頻的截止頻率，改善了天線在低頻段的阻抗匹配。

圖3 是否有頂部加載的輸入阻抗對比

加載圓柱形套筒，可以有效改善天線高頻處的阻抗匹配。這種技術(shù)本質(zhì)上是電抗加載，因為這種方式增加了天線輻射主體和底面金屬地之間的電容，是一種容性加載。通過這種容性加載，可以有效改善天線高頻處的阻抗匹配，可以進(jìn)一步地拓展帶寬。如圖4 所示，天線在沒有進(jìn)行任何加載時，在2.41～6.04 GHz 的頻率范圍內(nèi)，VSWR＜2；天線只進(jìn)行了末端加載時，在1～4.94 GHz的頻率范圍內(nèi)，VSWR＜2；天線在既有末端加載也有圓柱形套筒加載時，在1～7.65 GHz 的頻率范圍內(nèi)，VSWR＜2。因此通過在末端加載十字型的金屬面和加載圓柱形的金屬套筒，既改善了低頻處的阻抗匹配，又改善了高頻處的阻抗匹配，實現(xiàn)了天線的小型化和超寬帶。

圖4 不同加載結(jié)構(gòu)的VSWR 曲線圖

仿真結(jié)果表明，套筒的高度明顯影響天線的性能，套筒的高度越大，在高頻處天線阻抗變差，但是對低頻沒有任何影響，經(jīng)過仿真分析最后確定了套筒高度為6 mm。圓柱形套筒高度對VSWR 的影響如圖5 所示。

圖5 圓柱形套筒高度對VSWR 的影響

4 天線仿真及實測結(jié)果

天線的實物圖如圖6 所示，在天線頂部十字型金屬面和底面金屬面之間用尼龍螺釘固定，用SMA 接頭饋電。利用矢量網(wǎng)絡(luò)分析儀N5230A 測試了天線的VSWR曲線，如圖7 所示。可以看到實際測試的VSWR 曲線和仿真曲線基本吻合，實現(xiàn)了在1～7.65 GHz 的頻帶范圍內(nèi)，VSWR＜2，具有良好的超寬帶性能。

圖6 天線實物圖

圖7 VSWR 曲線圖仿真與實測對比

除此之外，還測量了天線的遠(yuǎn)場方向圖，測試場景如圖8、圖9 所示。分別取1 GHz、3 GHz、5 GHz、7 GHz等幾個典型頻點測量了其水平面和俯仰面方向圖，測試結(jié)果和仿真結(jié)果較為一致，但是由于在測試過程中天線擺放位置的原因，導(dǎo)致了實際測試過程中產(chǎn)生了一定的誤差。

圖8 不同頻率下天線俯仰面方向圖仿真與實測對比

圖9 不同頻率下天線水平面方向圖仿真與實測對比

5 結(jié) 語

本文提出了一種新型的單錐低剖面全向天線，天線主體是由交叉偶極子構(gòu)成，通過末端加載十字型金屬板和在四周加載短路金屬柱，實現(xiàn)了天線的小型化，通過添加圓柱形的金屬套筒，進(jìn)一步拓展了天線的帶寬。天線的尺寸為0.1λmin×0.1λmin×0.1λmin，金屬地的大小僅為0.236λmin。在天線的設(shè)計過程中，通過調(diào)節(jié)四棱體斜邊的角度調(diào)節(jié)天線的輸入阻抗，驗證了加載套筒拓展天線帶寬的可行性。最后加工制作測試了天線的實物，實測結(jié)果與仿真結(jié)果吻合較好，天線在1～7.65 GHz 的頻率范圍內(nèi)，VSWR＜2。同時取典型頻點測試其遠(yuǎn)場方向圖，表明天線具有較好的全向輻射特性。這種天線在無人機(jī)機(jī)載以及移動通信基站中有廣泛的應(yīng)用。