呂文俊，朱洪波

(南京郵電大學 通信與信息工程學院 江蘇省無線通信重點實驗室，江蘇 南京 210003)

1 引言

隨著現(xiàn)代無線通信的發(fā)展，寬帶化、高速化已經(jīng)成為無線通信的發(fā)展趨勢。為了滿足寬帶化的需要，同時兼容現(xiàn)有的無線通信系統(tǒng)，研制具有超寬帶特性的小型平面天線[1]是非常有必要的。常見的超寬帶天線包括單/偶極子天線[2～5]和縫隙天線[6～10]，前者的設計方案主要包括印刷型單極子與板狀單極子，一般通過把單極子的形狀設計為水滴形、多邊形或橢圓形即可獲得超寬帶工作特性；后者則一般采用不同形狀的寬縫隙或半閉合漸變槽[11]，通過調(diào)整調(diào)諧枝節(jié)的尺寸參數(shù)獲得超寬帶特性，其優(yōu)點是只需在電路的屏蔽層上刻蝕輻射單元而無需預留額外的安裝位置，集成度較高。除此以外，另一類具有寬帶特性的天線是折合環(huán)天線[12,13]，與常規(guī)的寬縫隙天線相比，這類天線結(jié)構(gòu)相對簡單，無需采用結(jié)構(gòu)復雜的輻射單元[14]或饋電結(jié)構(gòu)[15]，而且具有較寬的阻抗帶寬（可達50%左右），具備實現(xiàn)超寬帶工作特性的潛力；由于采用了折合結(jié)構(gòu)，其體積也較小。由于這些特點，折合環(huán)天線有望應用在超寬頻帶的便攜式設備中。然而，現(xiàn)存的折合環(huán)天線在應用中也存在一些問題：首先，它們的帶寬只能做到50%左右，在保持簡單結(jié)構(gòu)的基礎上，其帶寬提高程度有限；另一方面，折合環(huán)天線是完全對稱結(jié)構(gòu)[16]，饋電需要寬帶平衡器，頻率較低（L波段及以下）時不難實現(xiàn)，但隨著工作頻率的提高，實現(xiàn)體積小、結(jié)構(gòu)簡單、插損低的寬帶平衡器并不容易，況且平衡器的引入還可能會增加系統(tǒng)的損耗和復雜性。因此，如何有效地改進這類天線的饋電方式，對實現(xiàn)其寬帶化和實用化有重要意義。

基于這一研究背景，下文將提出一種新型的折合環(huán)天線設計。這種新型天線直接采用共面波導（CPW,coplanar waveguide）進行饋電，而無需如同文獻[13]中的天線那樣采用平衡器進行饋電；為了提高其工作帶寬，借鑒文獻[10,11]的做法，引入了含有漸變結(jié)構(gòu)的五邊形折合環(huán)；天線采用印制電路板（PCB,printed circuit board）工藝實現(xiàn)。下文將結(jié)合數(shù)值計算、樣品制作和實物測試，對這種天線進行詳細的研究。

2 天線的基本結(jié)構(gòu)

圖1 天線結(jié)構(gòu)示意圖

天線的基本結(jié)構(gòu)、尺寸參數(shù)和參照坐標系如圖1所示。天線的正面采用共面波導饋電，饋線末端帶有矩形貼片狀調(diào)諧枝節(jié)；印制電路板的兩面分別制作了 2個相同結(jié)構(gòu)的“子環(huán)”，由饋線附近的兩列金屬化過孔將它們連接成一個完整的折合環(huán)?？梢姡c文獻[12,13]類似，天線的整體結(jié)構(gòu)是非常簡單的。為了方便直接與測試儀器相連接，饋電共面波導的特性阻抗應設計為50Ω。

所有天線樣品均制作在相對介電常數(shù) εr＝2.65、厚度 h=2mm，損耗角正切 tanδ≤0.001的聚四氟乙烯基板上。整個天線的體積為 110mm×90mm×2mm，最終制作的天線實物正、反面結(jié)構(gòu)如圖2所示，具體的尺寸參數(shù)如表1所示。

圖2 天線實物圖

表1 天線具體尺寸參數(shù)

3 天線的參數(shù)分析

采用商用軟件IE3D對該天線進行了分析計算，研究了某些尺寸參數(shù)對天線輸入反射性能的影響。設計過程中，發(fā)現(xiàn)影響天線輸入特性的敏感參數(shù)包括g、Ws和Ls。因此，下面將對這幾個參數(shù)進行詳細的數(shù)值模擬與分析。以表1中的數(shù)值作為基準參數(shù)，為了不使變動過于劇烈，每次只變動其中一個參數(shù)而保持其他參數(shù)不變，而且參數(shù)的變動都限制在一個較小的范圍內(nèi)。這些參數(shù)分析將為天線的設計提供依據(jù)。

首先研究饋電枝節(jié)與環(huán)底部邊緣之間的饋電縫隙g對阻抗帶寬的影響。圖3給出了 g分別取1.5mm、2.5mm和3.5mm時計算的反射特性曲線。可見 g的輕微變動對天線的阻抗帶寬影響極大：g較小時，低頻的反射特性較差，高頻的反射特性變化較平緩；g較大時，中頻的反射特性變差，低頻、高頻的反射特性都有所改善；當g的取值為2.5mm時，全頻帶內(nèi)的反射系數(shù)分布比較均勻，表明此時調(diào)諧枝節(jié)與折合環(huán)之間的耦合達到臨界狀態(tài)，使得諧振頻點之間的耦合達到最佳，因此阻抗特性比較平緩均勻、帶寬最寬。因此，為了控制調(diào)諧枝節(jié)與折合環(huán)之間的耦合程度，必須仔細調(diào)整饋電縫隙 g的數(shù)值。

圖3 天線反射特性隨g的變化曲線

第二個需要研究的參數(shù)是調(diào)諧枝節(jié)的寬度Ws。圖4給出了所有其他參數(shù)不變，Ws分別取40mm、41mm和 42mm的情況下計算所得的反射特性曲線。由結(jié)果可見，Ws的變化敏感程度不如g，主要影響高頻諧振點的耦合程度。

圖4 天線反射特性隨Ws的變化曲線

第三個研究的參數(shù)是調(diào)諧枝節(jié)的長度Ls。圖5給出了Ls分別取35mm、36mm和37mm時算得的反射特性曲線。由結(jié)果可見，Ls主要影響中低頻率諧振點的特性，其變化敏感程度也不如g。

圖5 天線反射特性隨Ls的變化曲線

綜合上述分析的結(jié)果，可知參數(shù)g的敏感程度最高，因此，設計、加工時需要特別注意控制該參數(shù)的誤差范圍。其他參數(shù)的影響應該綜合考慮，折衷選取，以使天線的工作帶寬達到最大。

4 實驗研究結(jié)果

在數(shù)值計算的基礎上不難發(fā)現(xiàn)，由于天線的尺寸參數(shù)較多，因此必須在理論計算的基礎上進行樣品加工和實驗研究，才能確定天線的真實性能。

天線的輸入特性采用安捷倫公司的8720ET矢量網(wǎng)絡分析儀進行測量。圖6所示的是實測反射系數(shù)與計算結(jié)果的比較?？梢娞炀€的阻抗帶寬（按反射系數(shù)低于-10dB計）為0.81～3.85GHz，達到4.75:1，即相對帶寬超過130%；相比之下，文獻[12,13]中的折合環(huán)天線僅有50%左右的相對帶寬?？梢娺@種新型天線確實較一般的折合環(huán)天線具有更寬的阻抗帶寬，而且其饋電結(jié)構(gòu)很簡單，便于集成，不需要如同文獻[13]中的天線那樣采用平衡器進行饋電。

圖6 實測與計算的反射系數(shù)

圖7 實測的天線方向圖

為了進一步確定天線的輻射帶寬，還需要對天線的輻射方向圖和增益特性進行測量。天線的輻射特性在微波暗室中完成。圖7給出了天線的2個工作面（zx面和zy面）在1 800MHz和3 600MHz 2個頻率上的實測方向圖。

從實測結(jié)果可見，在整個工作頻帶內(nèi)，天線呈現(xiàn)穩(wěn)定的全向輻射特性。隨著工作頻率的增加，zx面（水平面）的交叉極化電平增加，但主瓣內(nèi)的交叉極化電平仍然不高；zy面（俯仰面）的主極化方向圖呈余弦規(guī)律，交叉極化電平很低；隨著頻率提高，由于zx面的交叉極化變大，zy面方向圖出現(xiàn)輕微的上翹，最大增益偏離視軸（+z方向，對應圖7中的0°方向）約20°左右，但波動不超過2dB?？梢?，天線的輻射方向圖非常穩(wěn)定，可認為其方向圖帶寬等于其阻抗帶寬。

最后，利用IE3D軟件和標準增益喇叭對天線在視軸（+z軸）方向的增益頻率特性分布進行了計算和測量。表2中給出了6個頻點上的計算與測試數(shù)值。通過兩者的比較，可見吻合良好，整個頻帶內(nèi)，天線視軸方向的增益保持在3.5dBi左右，平均波動不超過3dB，其增益特性與方向圖特性一樣具有寬帶特性。由此可知，天線的輻射帶寬（方向圖帶寬、增益帶寬）等于其阻抗帶寬，因此確實是一種性能優(yōu)良的超寬帶天線。

表2 計算與測量的視軸增益（dBi）

5 結(jié)束語

首先提出了一種新型超寬帶折合環(huán)天線的設計思想，然后通過充分的數(shù)值模擬和實驗研究，確定了其實際性能。結(jié)果表明這種天線具有超過130%的相對帶寬，遠遠高于現(xiàn)有文獻中報道的50%，表明其工作特性有了顯著的提高。由于這種新型天線的結(jié)構(gòu)非常簡單，性能良好，制作工藝簡單，成本低廉，能覆蓋現(xiàn)有的整個移動通信頻段，有望用作移動通信室內(nèi)分布系統(tǒng)的全向收發(fā)天線，具有較大的實際價值。

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