陳愛新 魏文軒 姜鐵華 張艷君

(北京航空航天大學 電子信息工程學院,北京 100191)

新型平面短路結構寬帶振子天線的設計

陳愛新 魏文軒 姜鐵華 張艷君

(北京航空航天大學 電子信息工程學院,北京 100191)

提出了一種改進后的新型平面短路結構寬帶振子天線.與普通振子天線相比,該天線的平面短路結構更利于與載體表面共形.通過對天線主要結構參數(shù)分析優(yōu)化,這種新型天線,憑借著其獨特的外形結構和阻抗加載技術,相比于同類天線不但實現(xiàn)了天線尺寸的小型化,而且有更好的帶寬和輻射特性.軟件仿真表明,該天線在超短波甚高頻(VHF,Very High Frequency)工作頻段(30～88MHz)內(nèi)滿足電壓駐波比小于 3,垂直極化,水平全向輻射,輻射強度在工作頻段優(yōu)于 -10dB,輻射增益平坦度在 2dB以內(nèi).計算結果與實測結果吻合良好,該天線在超短波通信系統(tǒng)中有較好的應用前景.

共形;加載;極化

在當今大多數(shù)飛行體和便攜式通信設備中,平面振子天線因其結構簡單、低剖面、低成本、易于和載體共形等良好特性得到了深入研究和廣泛應用.有關平面振子天線的研究發(fā)展迅速,已經(jīng)成為天線學科的一個重要研究方向.隨著自由空間中電磁兼容環(huán)境的不斷復雜化,無線通訊設備的通信質(zhì)量需要得到進一步提高,這對相應天線的性能及安裝結構提出了一個更高的要求.短波振子天線為了獲得較好的增益帶寬往往采用較大的尺寸,從而限制了其在某些應用領域的發(fā)展,但是通過相應的寬帶技術,可以在天線尺寸較小的情況下獲得較好的帶寬.因此,研究振子天線的寬帶小型化技術具有重要的實際意義.

針對振子天線的寬帶技術主要有:①把天線的水平輻射單元從線單元改為平面單元、用金屬平板代替原來的細導線作為主輻射體,能有效地增加阻抗帶寬,文獻[1]中的一種改線為平板水平元的 IFA(Inverted-F Antenna),VSWR(Voltage StandingWave Ratio)＜2的帶寬達到 2.5%,優(yōu)于線狀元 0.8%的帶寬;②將天線的輻射分枝構成彎曲、交錯、反復曲折的短路結構[2-3],加載容性垂直單元,以及在天線輻射分枝上開槽等[4].③給天線增加寄生單元,在中心頻率附近產(chǎn)生高頻或者低頻諧振點,以達到展寬阻抗頻帶的效果[5].綜合運用多種頻帶擴展技術往往可以得到更好的寬頻帶效果.

本文綜合運用上述幾種寬帶技術,提出一種新型平面短路結構寬帶振子天線.該天線以平面振子天線為原型,一方面利用寬尺寸輻射平面單元展寬頻帶;另一方面設計對稱彎折的垂直短路單元,實現(xiàn)容性加載,在提高輸入阻抗?jié)M足匹配的同時增加了帶寬.通過在彎折單元的合適位置進行阻抗加載,進一步擴展帶寬,減小天線尺寸,實現(xiàn)小型化.本文通過建立線柵模型,闡述天線的設計原理,對天線進行電性能分析,給出主要參數(shù)對帶寬、輻射特性的影響.HFSS(High Frequency Structure Simulator)軟件的仿真結果和實物測量結果均表明該天線性能很好地符合設計指標.

1 天線結構及原理分析

1.1 天線結構

平面短路寬帶振子天線結構如圖 1所示.與傳統(tǒng)的振子天線放置形式不同,其與地面成一定角度放置,這是為了便于主輻射體與載體表面共形.天線結構主要分為 4個部分:主平面輻射單元、一對折合寄生縫隙單元、一對加載阻抗和饋電端口.而鋁平板(尺寸為 1 000mm×1 000mm×1mm,電導率為 3.8×107S/m)一是為了支撐整個天線結構,二是仿真無限大平面.天線主輻射平面為長 h=1800mm,寬 w=280mm的矩形銅片,底部采用三角形漸變結構接入饋電,有利于增加帶寬.一對折合寄生縫隙單元,對稱放置在主平面兩側,在底端各附有阻抗加載,從而構成短路結構.如圖 2,l,d1,d2,d34組參數(shù)分別決定了彎折單元的形狀.其中 d1=9 mm,l=100mm,d2=150mm,d3=21mm.在天線底部用一個阻抗 50Ω的 SMA接頭進行饋電.

圖1 天線結構示意圖

圖2 折合寄生縫隙單元結構示意圖

1.2 輻射原理分析

目前,對于平面寬振子還沒有準確的解析公式或者近似公式來描述表面電流分布.因此,鑒于該天線存在復雜彎折結構,可以對其結構利用線柵模法(wire grid model method)進行分析.

根據(jù)圖 1,建立天線結構的線柵模型.假設線柵模型由 N個線段組成,網(wǎng)格的導線間隔不大于0.1λ,每一個線段再根據(jù)線段的具體長度分為 M個線元,每個線元視為一電偶極子.任意線元產(chǎn)生的電場含軸向和徑向分量,但是由于頻率在超短波頻段,波長數(shù)量級為米,所取線元半徑遠遠小于波長,電流僅僅沿導線軸方向流動,因此線上電流J產(chǎn)生的電場 Es用矢位 A表示為[6]

其中 J(r′)為待定電流,根據(jù)矩量法用展開函數(shù)Jm(r′)的有限和來逼近[7],即

將積分方程寫成算子方程形式

線柵模型上所有線元的空間場合成即為天線的空間場.由于天線形式規(guī)則、網(wǎng)格較細,因此選用脈沖函數(shù)作為基函數(shù)和權函數(shù),將權函數(shù)和基函數(shù)作內(nèi)積形成矩陣方程[7]:

其中,I為未知量 Im的矩陣;V是除了相應于饋電電壓外其余元素均為 0的列矩陣;Z是 M′×M′階阻抗矩陣,阻抗矩陣元素可由哈林登給出的方法得出[7].在上述基礎上,求解矩陣解方程中的 I未知系數(shù) Im,就可求得天線的輻射和阻抗特性.

1.3 天線結構參數(shù)特性分析

為了比較天線的主要參數(shù)對諧振頻率及阻抗帶寬的影響,明確天線的輻射機理,按照天線結構示意圖,利用 HFSS仿真軟件對天線結構進行建模,并對各主要設計參數(shù)的設計原則進行計算分析.設計天線工作的中心頻率為 90MHz,折合寄生縫隙單元末端采用 R=200Ω電阻加載.

參數(shù) w和 h決定了天線主輻射體平面的尺寸,圖 3、圖 4為通過改變其參數(shù)值得到相應的天線駐波.

圖3 主平面長度尺寸對駐波比的影響

圖4 主平面寬度尺寸對駐波比的影響

由圖 3可以看出,在指定頻帶內(nèi),隨著主輻射面長度的增加,天線的諧振頻率隨之降低.當長度大于 1.9m時,有 2個諧振頻率落在頻帶內(nèi).通過2個諧振頻率的疊加,駐波有較大程度的改善.由文獻可知,h/λ為電尺寸,隨著電尺寸的變小,Q值將隨著以三次方的程度增加,因此帶寬將明顯變窄.但是,隨著振子長度的增加,低頻段的駐波起伏也隨之增大.在 1.9m,約為 λ/2(中心頻率波長為 3.3m)附近,有一個最優(yōu)值能獲得相對最優(yōu)的駐波曲線,且低頻諧振頻點在 40MHz附近.而通過增加主輻射振子的寬度,可以在不改變諧振頻點的情況下擴展帶寬.

折合寄生單元短路振子的結構尺寸則由 4個參數(shù)決定.圖 5為這 4個參數(shù)變化分別對天線駐波的影響.由圖可知,作為振子連接部分的寬度尺寸的 l變化對 38MHz諧振頻率影響并不大,但是帶內(nèi)駐波起伏隨著參數(shù)的增大變得較為平坦,在100mm附近最佳,平均駐波最小.而振子的參數(shù)必須要小于某一個定值,否則將產(chǎn)生嚴重的駐波現(xiàn)象導致天線無法正常工作.狹長振子 d1參數(shù)必須要在 50mm以內(nèi),而振子頂端高度則要小于20cm,但是這 2個參數(shù)在條件范圍內(nèi),對天線的性能影響并不大.振子連接部分和狹長部分之間的距離對天線駐波有一定影響.仿真結果表明,距離的縮小將有助于降低天線的駐波比,從而得到較好的帶寬.分析可得,振子 4個參數(shù)的變化對天線的低頻諧振頻點的影響并不大,但是都在不同程度上決定了天線的帶寬.

圖5 折合寄生縫隙短路單元尺寸對駐波比的影響

為了分析折合寄生縫隙短路單元末端的加載電阻對天線駐波比的影響,見圖 6.采用了不同阻值的加載電阻進行仿真分析比較,發(fā)現(xiàn)當加載電阻 R=200Ω時,能夠較好的匹配天線自身阻抗,獲得較優(yōu)的駐波特性,使天線輸出功率最大.

圖6 加載電阻對駐波比的影響

2 天線優(yōu)化結構的性能與測量結果

通過上述對天線參數(shù)的仿真分析可知,天線主輻射體的尺寸是天線諧振頻率最主要的影響因素,同時也是駐波的影響因素之一.超短波頻段的最佳長寬比為 6.2∶1.兩邊的對稱振子不但影響著駐波曲線,同時也是容性阻抗加載的重要元件.通過優(yōu)化仿真可知,在振子頂部加載 200Ω后,將得到較好的阻抗圓圖,可以保證輸入阻抗在脈沖能量分布的主要頻帶上保持一致,有效地輻射能量,同時滿足阻抗匹配.圖 7上部為調(diào)整振子參數(shù)并在振子末端加 200Ω加載阻抗后的天線輸入阻抗圖.從圖中可以看出,雖然仍然稍偏容性,但是已經(jīng)有較好的阻抗頻帶.通過優(yōu)化仿真最終得到的天線尺寸也有較好的水平輻射方向圖,如圖 7下部為 30～90MHz每隔10MHz的頻點 H面方向圖.除了 90MHz存在一定的零度縱深現(xiàn)象,各頻點的方向圖幅度均大于 -10 dB,平坦度小于 2 dB,滿足天線性能的設計指標.

圖7 天線輸入阻抗和H面方向圖

使用銅箔作為輻射體的主要材料,鋁板作為理想無限大的平面,并以非導電材料機尾模型作天線載體,按照天線尺寸加工天線外形.加工天線縮比模型實物后,由于測試環(huán)境所限,僅對天線駐波比特性使用Agilent8719/8593系列矢量網(wǎng)絡分析儀進行了測量.仿真結果和測試結果比對圖如圖 8所示,從中可以看出,仿真結果與測試結果一致性較好,滿足天線駐波的設計要求.

圖8 仿真結果與測試結果駐波比對圖

3 結束語

本文給出了一種新穎的平面短路結構寬帶振子天線.通過多種寬帶技術,在平面結構的基礎上采用新型對稱折合寄生單元短路結構進行容性加載、阻抗加載,不但獲得了較好的帶寬和輻射特性,在超短波 VHF(Very High Frequency)工作頻段(30～88MHz)內(nèi)滿足 VSWR＜3,頻帶內(nèi)方向圖水平全向,主瓣不分裂,垂直極化,輻射強度在工作頻段內(nèi)優(yōu)于 -10 dB,輻射增益平坦度在 2 dB以內(nèi).而且,憑借其低剖面結構,便于與載體共形,該天線在超短波通信領域有較廣闊的應用前景.

References)

[1]Chiu CW,Lin F L.Compact dual-band PIFA withmulti-resonators[J].Electron Lett,2002,38(12):538-540

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[7]Roger F Harrington.Field computation by moment methods[M].New York:The Macmillan Company,1968

(編 輯 :婁 嘉)

Design of novel planar shorting structure broadband monopole antenna

Chen Aixin Wei Wenxuan Jiang Tiehua Zhang Yanjun

(School of Electronics and Information Engineering,Beijing University of Aeronautics and Astronautics,Beijing 100191,China)

An improved novel planar shorting structure broadband monopole antenna was presented.In the light of planar structure easily con formal to substrate,the special shape structure and the technique of loadadding,this kind of antenna realizes the miniaturization and has a better bandwidth and radiation compared with the conventional monopole antenna.The theoretical parameters analysis of the main structure and simulation results with high frequency structure simulator(HFSS)show that the antenna satisfies the conditions of voltage standing wave ratio(VSWR)less than 3,vertical polarization,horizontal omni-directional radiation,radiation gain no less than-10 dB and radiation smoothness below 2dB,on the work frequency band ranged from 30～88MHz.The antenna has a wide application in vere high freq wency(VHF)communication system.The calculational results derived agree well with the experimental results.

conformations;loading;polarization

TN 821+.4

A

1001-5965(2010)03-0283-04

2009-02-27

國家自然科學基金資助項目(60831001,F010610)

陳愛新(1970-),男,河北安國人,副教授,axchen@buaa.edu.cn.