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一種寬帶螺旋天線的設(shè)計

2015-02-23 08:27朱珊虹董衛(wèi)鵬張琳江
電子器件 2015年4期

朱珊虹,董衛(wèi)鵬,張琳江

(新鄉(xiāng)學(xué)院計算機與信息工程學(xué)院,河南新鄉(xiāng)453000)

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一種寬帶螺旋天線的設(shè)計

朱珊虹*,董衛(wèi)鵬,張琳江

(新鄉(xiāng)學(xué)院計算機與信息工程學(xué)院,河南新鄉(xiāng)453000)

摘要:提出了一種寬帶螺旋平面天線的設(shè)計。采用共平面波導(dǎo)的方式繞成天線,該方法使得天線和饋電網(wǎng)絡(luò)在同一平面上,可以利用印刷電路板技術(shù)制作。通過軟件仿真和實際測試顯示:該天線具有良好的圓極化和寬頻帶特性,在頻段2.5 GHz~9 GHz上實測反射損耗小于-10 dB。該天線制作簡單、平面化面積小、具有很高的應(yīng)用價值。

關(guān)鍵詞:阿基米德螺旋天線;共平面波導(dǎo);寬帶天線;電磁仿真軟件

螺旋天線理論自上世紀40年代被提出來后,由于其超寬的頻帶、穩(wěn)定的增益和較低的軸比,得到了廣泛的應(yīng)用[1]。螺旋形天線本身為平面式的結(jié)構(gòu),饋入方法為中心饋入,因此饋電網(wǎng)絡(luò)和天線本身無法達到全平面的要求,使得在一些需要平面化、小型化的通訊產(chǎn)品中無法應(yīng)用。因此有學(xué)者提出了外部饋入螺旋形天線的方法[2],但是這些從外部饋入的方法都必須占用很大的面積。本文將螺旋形天線的其中一臂多繞半圈,這樣就能和另一臂形成雙線傳輸線,因此雙線傳輸線就有了定義明確的特性阻抗,能輕易的饋入且不需要占用太大的面積。

1 天線設(shè)計

本文所設(shè)計的螺旋形天線就是利用中間導(dǎo)體上升的共平面波導(dǎo)所繞制而成,如圖1所示。饋電網(wǎng)絡(luò)和天線本身在同一個平面,采用阿基米德形式,匝數(shù)為2.5圈,其公式為:

式中,r為天線半徑,a為螺線增加率,r0為螺線起點和圓心的距離。表1所示為天線的基本尺寸。天線最大半徑為33 mm,起始頻率可由式(2)進行估算

式中,λmax為最大波長,γmax為最大半徑。不過此公式并未考慮基本參數(shù),所以在研究此天線時,提出了一個經(jīng)驗公式

式中,fmin為起始頻率(MHz),C為光速,εr為介質(zhì)常數(shù),h為基板厚度,k為常數(shù)1.97。此天線在聚四氟乙烯FR4基板上,基板的介電常數(shù)為4.4,厚度0.8 mm,在2.1 GHz~9.0 GHz范圍內(nèi)損耗為0.015。天線實體如圖2所示:在其饋電網(wǎng)絡(luò)部分,中間導(dǎo)體上升的共平面波導(dǎo)線寬為0.5 mm,線間距為3 mm,特性阻抗為190 Ω,直接利用漸近的方式轉(zhuǎn)換為50 Ω的微帶傳輸線。

圖1 天線結(jié)構(gòu)圖

圖2 天線實物照片

表1 天線的基本尺寸

2 仿真與實驗結(jié)果

在天線測試方面,實驗儀器選用Agilent E8363型矢量網(wǎng)絡(luò)分析儀、CST-1型自動測試轉(zhuǎn)臺、XB-GH型標準增益天線、發(fā)射天線及待測天線。整個測試在微波暗室里進行。

由式(2)計算出所設(shè)計的天線起始頻率為1.44 GHz。圖3所示為螺旋天線反射損耗仿真與實測損耗的對比圖。

圖3 駐波比特性

由圖3可以清楚的看到此天線的頻寬大約在2.5 GHz到9 GHz。與之對比,可見利用式(3)計算的起始頻率值,大約相差兩倍[3]。本文利用IE3D電磁仿真軟件計算出的電流密度分布如圖4(a)、4(b)所示。圖4(a)是利用式(3)算出起始頻率為1.44 GHz時的電流密度分布圖,從圖4可以看出電流在螺旋線里呈現(xiàn)駐波的型態(tài),可以推斷出頻率在實際的起始頻率之下;反之圖4(b)為2.5 GHz時的電流密度分布圖,在電流由強轉(zhuǎn)弱的交接區(qū),因此也能從電流密度分布圖來判斷天線的起始頻率。

圖4 天線的表面電流分布

圖5~圖7為軟件模擬與測量的輻射方向比較圖,可以看出仿真與測量在天線特性方面很接近。觀察在較低頻率(2.5 GHz)時,測量的輻射方向圖有橫向方向的偏離,偏離大概約5°,可能是測量時同軸電纜線造成的影響,所以輻射方向圖在垂直天線平面的方向是有最大值。在頻率逐漸增高時,天線輻射的最大值會漸漸的移往端射方向。這是因為在高頻時,天線輻射靠近外圈,天線外圍半徑較大,而高頻時的波長較短,所以只有一部分輻射[4-6],從圖6、圖7可看出在5.5 GHz時,輻射方向最大值大約在θ=30°,而到了7.5 GHz時輻射場型最大值移動到了θ=70°,變成在天線平面的方向。因此一個由外部饋入的螺旋天線,其輸入阻抗是寬頻的,但是輻射遠場則不是。

圖5 天線輻射方向圖——2.5 GHz E面

圖6 天線輻射方向圖——5 GHz E面

圖7 天線輻射方向圖——7.5 GHz E面

圖8為增益在=90°及θ=0°方向的仿真與測量比較圖,可以看出有良好的一致性,在高頻時增益會劇降的原因是在高頻時輻射方向最大值從橫向方向移至端射的方向,所以在橫向的增益會下降。圖9為天線在不同頻率下最大增益的模擬值,在高頻時增益約為4 dBi~5 dBi。圖10為天線在2.5 GHz時所量得的E-ver、E-para與E-total的輻射場型圖。

圖8 =90°,θ=0°方向增益的模擬值與測量值比較圖

圖9 天線在不同頻率下最大增益的模擬值

圖10 2.5 GHz時E-ver、E-para與E-total的測量圖

E-ver是指在無反射實驗室里的標準喇叭型天線電場是垂直時所量的場型;而E-para則是水平時所量的場型,圖11為2.5 GHz及3.5 GHz時在橫向方向所模擬的軸比值,可以看到在2.5 GHz時θ在60°的軸比皆小于3 dB,而到了3.5 GHz時軸比則變大許多,所以再顯示出此天線是在S參數(shù)上為寬帶結(jié)構(gòu),但是在圓極化率上大約只有1 GHz的頻寬。由圖知該天線在具有較好的圓極化輻射特性。

圖11 2.5 GHz及3.5 GHz時軸比特性圖

3 結(jié)論

一個由外部饋入的螺旋型天線,以取代制作較困難的中央饋入,此天線利用IE3D來模擬,并實際制作在FR4的基板上,測量的反射損耗在2.5 GHz~9 GHz皆在10 dB以上;增益在高頻時因為場型偏移,所以再橫向方向增益會下降,輻射場型與增益的模擬值跟測量值有良好的一致性。而在圓極化率方面,在2.5 GHz時(軸比特性)Axial ratio在-60°~60°皆小于3 dB。

參考文獻:

[1]朱玉曉,鐘順時,許賽卿,等.小型化超寬帶槽螺旋天線的設(shè)計[J]微波學(xué)報,2009(2):39-41.

[2]Nurnberger M W,Volakis J L.A New Planar Feed for Slot Spiral Antennas[J].IEEE Trans Antenna Propagat,1996,44:130-131.

[3]Gschwendtner E,Wiesbeck W.Ultra-Broadband Car Antennas for Communications and Navigation Applications[J].IEEE Transactions on Antennas and Propagation,2003,51(8):2020-2027.

[4]Nurnberger M W,Volakis J L.New Termination for Ultrawide-Band Slot Spirals[J].IEEE Transactions on Antennas and Propagation,2002,50(1):82-85.

[5]徐琰,張謨杰.一種新穎的光子帶隙平面螺旋天線[J].電波科學(xué)學(xué)報,2005,20(6):699-702.

[6]吳毅強,張平平,胡少文,等.一種新型的具有帶阻特性的超寬帶天線[J].電子器件,2014,37(1):1-3.

[7]諶詩丹,楊晉生,胡少文.一種改進的U型超寬帶單極子天線研究[J].電子器件,2014,38(2):344-348.

[8]袁宏偉.新型光子帶隙寬帶雙極化微帶天線設(shè)計[J].電子器件,2013,24(2):3-8.

朱珊虹(1982-),女,漢族,武漢大學(xué)在讀博士,新鄉(xiāng)學(xué)院計算機應(yīng)用教研室主任,研究方向為多媒體技術(shù),虛擬現(xiàn)實,新媒體技術(shù)與傳播,zshazhu@163.com;

張淋江(1975-),男,漢族,工程師,碩士研究生,主要研究方向為計算機無線傳感器網(wǎng)絡(luò)。

Design of an Antenna Operating at 915 MHz Used in Wireless Data Collection Systems*

CHEN Qiong1*,YANG Jie1,WANG Shanjin1,F(xiàn)ING Jun2
(1.School of Electronic Engineering,Dongguan University of Technology,Dongguan Guangdong 523808,China; 2.Institute of Computer Science,Dongguan University of Technology,Donguan Guangdong 523808,China)

Abstract:A printed dipole antenna operating at 915 MHz is proposed.The antenna is fed by a microstrip to coplanar stripline Balun to achieve broadband operation and balanced feed in the band.The impedance bandwidth determined from a 10 dB return loss is found to be about 22%,with the bandwidth 830 MHz to 1 030 MHz.The antenna has excellent performance of S11<-50 dB at 915 MHz.The antenna has characteristics of simple structure,and is easy to be integrated.It can be used in wireless data collection systems.

Key words:coplanar stripline; printed dipole antenna; Balun; microstrip

doi:EEACC:527010.3969/j.issn.1005-9490.2015.04.006

收稿日期:2014-08-04修改日期:2014-09-21

中圖分類號:TN823.31

文獻標識碼:A

文章編號:1005-9490(2015)04-0742-04