新型平面短路结构宽带振子天线的设计

陈爱新 魏文轩 姜铁华 张艳君

(北京航空航天大学 电子信息工程学院,北京 100191)

新型平面短路结构宽带振子天线的设计

陈爱新 魏文轩 姜铁华 张艳君

(北京航空航天大学 电子信息工程学院,北京 100191)

提出了一种改进后的新型平面短路结构宽带振子天线.与普通振子天线相比,该天线的平面短路结构更利于与载体表面共形.通过对天线主要结构参数分析优化,这种新型天线,凭借着其独特的外形结构和阻抗加载技术,相比于同类天线不但实现了天线尺寸的小型化,而且有更好的带宽和辐射特性.软件仿真表明,该天线在超短波甚高频(VHF,Very High Frequency)工作频段(30～88MHz)内满足电压驻波比小于 3,垂直极化,水平全向辐射,辐射强度在工作频段优于 -10dB,辐射增益平坦度在 2dB以内.计算结果与实测结果吻合良好,该天线在超短波通信系统中有较好的应用前景.

共形;加载;极化

在当今大多数飞行体和便携式通信设备中,平面振子天线因其结构简单、低剖面、低成本、易于和载体共形等良好特性得到了深入研究和广泛应用.有关平面振子天线的研究发展迅速,已经成为天线学科的一个重要研究方向.随着自由空间中电磁兼容环境的不断复杂化,无线通讯设备的通信质量需要得到进一步提高,这对相应天线的性能及安装结构提出了一个更高的要求.短波振子天线为了获得较好的增益带宽往往采用较大的尺寸,从而限制了其在某些应用领域的发展,但是通过相应的宽带技术,可以在天线尺寸较小的情况下获得较好的带宽.因此,研究振子天线的宽带小型化技术具有重要的实际意义.

针对振子天线的宽带技术主要有:①把天线的水平辐射单元从线单元改为平面单元、用金属平板代替原来的细导线作为主辐射体,能有效地增加阻抗带宽,文献[1]中的一种改线为平板水平元的 IFA(Inverted-F Antenna),VSWR(Voltage StandingWave Ratio)＜2的带宽达到 2.5%,优于线状元 0.8%的带宽;②将天线的辐射分枝构成弯曲、交错、反复曲折的短路结构[2-3],加载容性垂直单元,以及在天线辐射分枝上开槽等[4].③给天线增加寄生单元,在中心频率附近产生高频或者低频谐振点,以达到展宽阻抗频带的效果[5].综合运用多种频带扩展技术往往可以得到更好的宽频带效果.

本文综合运用上述几种宽带技术,提出一种新型平面短路结构宽带振子天线.该天线以平面振子天线为原型,一方面利用宽尺寸辐射平面单元展宽频带;另一方面设计对称弯折的垂直短路单元,实现容性加载,在提高输入阻抗满足匹配的同时增加了带宽.通过在弯折单元的合适位置进行阻抗加载,进一步扩展带宽,减小天线尺寸,实现小型化.本文通过建立线栅模型,阐述天线的设计原理,对天线进行电性能分析,给出主要参数对带宽、辐射特性的影响.HFSS(High Frequency Structure Simulator)软件的仿真结果和实物测量结果均表明该天线性能很好地符合设计指标.

1 天线结构及原理分析

1.1 天线结构

平面短路宽带振子天线结构如图 1所示.与传统的振子天线放置形式不同,其与地面成一定角度放置,这是为了便于主辐射体与载体表面共形.天线结构主要分为 4个部分:主平面辐射单元、一对折合寄生缝隙单元、一对加载阻抗和馈电端口.而铝平板(尺寸为 1 000mm×1 000mm×1mm,电导率为 3.8×107S/m)一是为了支撑整个天线结构,二是仿真无限大平面.天线主辐射平面为长 h=1800mm,宽 w=280mm的矩形铜片,底部采用三角形渐变结构接入馈电,有利于增加带宽.一对折合寄生缝隙单元,对称放置在主平面两侧,在底端各附有阻抗加载,从而构成短路结构.如图 2,l,d1,d2,d34组参数分别决定了弯折单元的形状.其中 d1=9 mm,l=100mm,d2=150mm,d3=21mm.在天线底部用一个阻抗 50Ω的 SMA接头进行馈电.

图1 天线结构示意图

图2 折合寄生缝隙单元结构示意图

1.2 辐射原理分析

目前,对于平面宽振子还没有准确的解析公式或者近似公式来描述表面电流分布.因此,鉴于该天线存在复杂弯折结构,可以对其结构利用线栅模法(wire grid model method)进行分析.

根据图 1,建立天线结构的线栅模型.假设线栅模型由 N个线段组成,网格的导线间隔不大于0.1λ,每一个线段再根据线段的具体长度分为 M个线元,每个线元视为一电偶极子.任意线元产生的电场含轴向和径向分量,但是由于频率在超短波频段,波长数量级为米,所取线元半径远远小于波长,电流仅仅沿导线轴方向流动,因此线上电流J产生的电场 Es用矢位 A表示为[6]

其中 J(r′)为待定电流,根据矩量法用展开函数Jm(r′)的有限和来逼近[7],即

将积分方程写成算子方程形式

线栅模型上所有线元的空间场合成即为天线的空间场.由于天线形式规则、网格较细,因此选用脉冲函数作为基函数和权函数,将权函数和基函数作内积形成矩阵方程[7]:

其中,I为未知量 Im的矩阵;V是除了相应于馈电电压外其余元素均为 0的列矩阵;Z是 M′×M′阶阻抗矩阵,阻抗矩阵元素可由哈林登给出的方法得出[7].在上述基础上,求解矩阵解方程中的 I未知系数 Im,就可求得天线的辐射和阻抗特性.

1.3 天线结构参数特性分析

为了比较天线的主要参数对谐振频率及阻抗带宽的影响,明确天线的辐射机理,按照天线结构示意图,利用 HFSS仿真软件对天线结构进行建模,并对各主要设计参数的设计原则进行计算分析.设计天线工作的中心频率为 90MHz,折合寄生缝隙单元末端采用 R=200Ω电阻加载.

参数 w和 h决定了天线主辐射体平面的尺寸,图 3、图 4为通过改变其参数值得到相应的天线驻波.

图3 主平面长度尺寸对驻波比的影响

图4 主平面宽度尺寸对驻波比的影响

由图 3可以看出,在指定频带内,随着主辐射面长度的增加,天线的谐振频率随之降低.当长度大于 1.9m时,有 2个谐振频率落在频带内.通过2个谐振频率的叠加,驻波有较大程度的改善.由文献可知,h/λ为电尺寸,随着电尺寸的变小,Q值将随着以三次方的程度增加,因此带宽将明显变窄.但是,随着振子长度的增加,低频段的驻波起伏也随之增大.在 1.9m,约为 λ/2(中心频率波长为 3.3m)附近,有一个最优值能获得相对最优的驻波曲线,且低频谐振频点在 40MHz附近.而通过增加主辐射振子的宽度,可以在不改变谐振频点的情况下扩展带宽.

折合寄生单元短路振子的结构尺寸则由 4个参数决定.图 5为这 4个参数变化分别对天线驻波的影响.由图可知,作为振子连接部分的宽度尺寸的 l变化对 38MHz谐振频率影响并不大,但是带内驻波起伏随着参数的增大变得较为平坦,在100mm附近最佳,平均驻波最小.而振子的参数必须要小于某一个定值,否则将产生严重的驻波现象导致天线无法正常工作.狭长振子 d1参数必须要在 50mm以内,而振子顶端高度则要小于20cm,但是这 2个参数在条件范围内,对天线的性能影响并不大.振子连接部分和狭长部分之间的距离对天线驻波有一定影响.仿真结果表明,距离的缩小将有助于降低天线的驻波比,从而得到较好的带宽.分析可得,振子 4个参数的变化对天线的低频谐振频点的影响并不大,但是都在不同程度上决定了天线的带宽.

图5 折合寄生缝隙短路单元尺寸对驻波比的影响

为了分析折合寄生缝隙短路单元末端的加载电阻对天线驻波比的影响,见图 6.采用了不同阻值的加载电阻进行仿真分析比较,发现当加载电阻 R=200Ω时,能够较好的匹配天线自身阻抗,获得较优的驻波特性,使天线输出功率最大.

图6 加载电阻对驻波比的影响

2 天线优化结构的性能与测量结果

通过上述对天线参数的仿真分析可知,天线主辐射体的尺寸是天线谐振频率最主要的影响因素,同时也是驻波的影响因素之一.超短波频段的最佳长宽比为 6.2∶1.两边的对称振子不但影响着驻波曲线,同时也是容性阻抗加载的重要元件.通过优化仿真可知,在振子顶部加载 200Ω后,将得到较好的阻抗圆图,可以保证输入阻抗在脉冲能量分布的主要频带上保持一致,有效地辐射能量,同时满足阻抗匹配.图 7上部为调整振子参数并在振子末端加 200Ω加载阻抗后的天线输入阻抗图.从图中可以看出,虽然仍然稍偏容性,但是已经有较好的阻抗频带.通过优化仿真最终得到的天线尺寸也有较好的水平辐射方向图,如图 7下部为 30～90MHz每隔10MHz的频点 H面方向图.除了 90MHz存在一定的零度纵深现象,各频点的方向图幅度均大于 -10 dB,平坦度小于 2 dB,满足天线性能的设计指标.

图7 天线输入阻抗和H面方向图

使用铜箔作为辐射体的主要材料,铝板作为理想无限大的平面,并以非导电材料机尾模型作天线载体,按照天线尺寸加工天线外形.加工天线缩比模型实物后,由于测试环境所限,仅对天线驻波比特性使用Agilent8719/8593系列矢量网络分析仪进行了测量.仿真结果和测试结果比对图如图 8所示,从中可以看出,仿真结果与测试结果一致性较好,满足天线驻波的设计要求.

图8 仿真结果与测试结果驻波比对图

3 结束语

本文给出了一种新颖的平面短路结构宽带振子天线.通过多种宽带技术,在平面结构的基础上采用新型对称折合寄生单元短路结构进行容性加载、阻抗加载,不但获得了较好的带宽和辐射特性,在超短波 VHF(Very High Frequency)工作频段(30～88MHz)内满足 VSWR＜3,频带内方向图水平全向,主瓣不分裂,垂直极化,辐射强度在工作频段内优于 -10 dB,辐射增益平坦度在 2 dB以内.而且,凭借其低剖面结构,便于与载体共形,该天线在超短波通信领域有较广阔的应用前景.

References)

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

[2]Ammann M J,Chen Zhining.A wide-band shorted planar monopole with bevel[J].IEEE Transactions And Propagation,2003,51(4):901-903

[3]吕善伟,杨学斌,贾晓笑,等.一种宽频带振子天线[J].北京航空航天大学学报,2000,26(1):8-11 LǜShanwei,Yang Xuebin,Jia Xiaoxiao,et al.A kind of dipole antenna with broadband characteristics[J].Journal of Beijing U-niversity of Aeronautics and Astronautics,2000,26(1):8-11(in Chinese)

[4]段文涛,李思敏.加载技术在天线小型化设计中的研究[J].现代电子技术,2008,2:17-22 DuanWentao,LiSim in.Research on loading technology for miniature and broadband antenna design[J].Modern Electronics Technique,2008,2:17-22(in Chinese)

[5]姜铁华,苏东林,丁轲佳,等.含有寄生单元的倒 F天线分析与设计[J].微波学报,2008,24(1):35-39 Jiang Tiehua,Su Donglin,Ding Kejia,et al.Design of the lowprofile inverted-F antenna with multi-parasitic elements[J].Journal of Microwaves,2008,24(1):35-39(in Chinese)

[6]John D Kraus,Ronald JMarheflka.天线[M].3版.北京:电子工业出版社,2004 John DK raus,Ronald JMarheflka.Antennas:for all applications[M].3rd ed.Beijing:Publishing House of Elements Industry,2004(in Chinese)

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

(编 辑 :娄 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

国家自然科学基金资助项目(60831001,F010610)

陈爱新(1970-),男,河北安国人,副教授,axchen@buaa.edu.cn.