基于耦合加载的低剖面天线设计❋

宋阳❋❋，薛锋章

（华南理工大学电子与信息学院，广州510640）

基于耦合加载的低剖面天线设计❋

宋阳❋❋，薛锋章

（华南理工大学电子与信息学院，广州510640）

设计了一种小型化双频天线。通过在单极子天线上引入寄生耦合的方法，即在单极子顶部引入耦合加载板，既保证了单极子天线的辐射全向性又减小了电小天线的分布电容，从而使该天线具有宽频带、低剖面特性。采用仿真软件Ansoft HFSS进行仿真和优化，优化结果表明：该天线工作频率为824～960 MHz/1 710～2 690 MHz（驻波比小于等于2）。根据仿真模型制作了一款天线，实测驻波带宽可达811～1 050 MHz/1 580～2 660 MHz，且在水平面内辐射全向方向图。该天线在限制尺寸的情况下有效地展宽了带宽。

无线光纤分布系统；单极子；低剖面天线；耦合加载

1 引言

目前，室内覆盖常采用的方案是由信号源与天线、馈线分布系统组成。而这种建设方法需要大量使用无源功分器、耦合器等，这会导致整体网络质量下降。随着用户对通信质量的要求越来越高以及对建网工程越来越重视，无线光纤分布系统正逐步取代传统室内覆盖方式。无线光纤分布系统以光纤或者固话网线代替馈线传输，可大大降低工程施工的难度，数字传输技术的使用也大大提高了系统效率等优点［1］。该系统中的远端机单元对天线提出了低剖面、限制金属地尺寸（金属地小）、宽频带等需求。因此设计一款在低剖面、窄金属地情况下保证辐射性能和频带带宽的天线有十分重要的现实意义。

国内外一些研究机构也对全向天线做了一些较为深入的研究。如文献［2］提出的吸顶全向天线能提供良好的辐射特性并有着良好的驻波比带宽，但该天线需要有足够大的金属地来实现，且天线高度尺寸较大。文献［3］提出的多频段PIFA天线有着小尺寸、低剖面的优点，但PIFA天线全向性差，水平面存在覆盖零点。

本文在常规单极子天线基础上引入耦合加载，在限定金属地尺寸内实现了良好的全向辐射特性，并且有着较宽的频带带宽。因此，它结合了耦合天线的小尺寸特点与单极子良好辐射特性优点，特别适合应用于无线光纤分布系统中的远端机。

2 天线结构与仿真分析

2.1 双频小型化天线设计原理

图1为远端机天线安装结构图，可见对天线尺寸要求是低剖面且金属地宽度较窄。对辐射特性要求是垂直极化且具有全向性。

要进行全向信号覆盖，单极子天线是设计的首选。而单极子需要四分之一波长的高度，信号要覆盖GSM900频段，则工作在频率f0（波长λ）的传统的单极子高度h为

式中，c为真空介质中的光速。

高度显然太大了。降低单极子高度的方法有很多，其中最经典的就是顶部加载［2］的方法。然而直接加载有两个缺点：一是对单极子的辐射性能有很大影响，直接导致全向性变差，在限制金属地尺寸（金属地较小）的情况下，全向性更差，在2.5 GHz或更高频点时方向图甚至有零点；二是会影响天线在高频段的辐射性能和阻抗特性，使S参数变得发散。为此本文根据寄生耦合［4］的原理设计一款在单极子顶部通过寄生耦合加载的低剖面天线。通过调节加载耦合大小，既调节了天线的阻抗带宽也减小了加载板对单极子方向图的影响，从而保证其全向性。由于椭圆形单极子可以在很宽的频带内获得良好的阻抗特性，因此，本文选用椭圆形金属片作为单极子主辐射体［5］。

如图2所示，椭圆铜片为单极子主辐射体，厚度为0.5mm。单极子辐射体顶部是寄生耦合的单面环氧板，寄生板两边的不对称是为了调整阻抗特性稳定。且单极子顶部高过加载板上表面1 mm，调整该高度对耦合大小有一定的影响，但主要的耦合大小是通过调节图2（b）中顶部覆铜层中的耦合矩形的长L和宽W。单极子底部通过微带馈电网络给它匹配馈电，板材采用介电常数为2.65的FR4，厚度为1mm。天线置于190mm×40mm金属地的正中央。整个天线高度为35mm，约为900 MHz频点的0.1个波长。

图2 天线的结构Fig.2 Geometry of the antenna

2.2 仿真分析

本设计使用仿真软件Ansoft HFSS13.0建模仿真。通过调节加载板上耦合矩形的长L和宽W，使天线的S参数更收敛后再通过匹配电路来对其匹配。最终调整得耦合处W＝3mm，L＝22mm。图3为其仿真的驻波比。可见其在824～960 MHz和1 710～2 690 MHz频带内驻波基本小于2。高频驻波带宽比低频要宽的结果是由于对垂直高度的限制致使低频段的阻抗特性发散而难以匹配。

图3 天线驻波的仿真值Fig.3 Simulated VSWR of the antenna

3 实物测试

根据仿真模型制作了天线实物，并用PVC（Polyvinyl Chloride）材料制作相应天线罩的实物，如图4所示。

图4 天线实物图Fig.4 Photograph of the antenna

图5为Aglient E5071C实测驻波结果。驻波带宽为811～1 050 MHz/1 580～2 660 MHz。与仿真结果有一定的区别，这是由于软件建模及其计算过程存在一定理想化的处理，且实际制作装配也有一定的工差。

图5 天线驻波的实测值Fig.5 Measured VSWR of the antenna

在微波暗室中对该天线进行了相应的方向图测试，其在0.91 GHz和2.3 GHz处的水平面方向图仿真与测试结果对比如图6～7所示。

图6 0.91 GHz时水平面方向图的仿真与实测值Fig.6 Measured and simulated horizontal pattern of the antenna at0.91 GHz

图7 2.3 GHz时天线水平面方向图的仿真与实测值Fig.7 Measured and simulated horizontal pattern of the antenna at2.3 GHz

从上图可见，实测在0.91 GHz和2.3 GHz处分别有2.25 dB和3.37 dB增益，并有着不错的全向性，该天线仿真与实测的方向图比较一致。

综上，可见该低剖面天线的实际测试电路参数和辐射参数均满足设计指标要求和功能需求。

4 结论

本文基于耦合加载的思想设计了一款用于分布系统中远端机的低剖面小型化天线。与传统全向天线相比，它在小金属地、低剖面情况下提供了宽频段信号覆盖。以软件仿真结果为基础制作了实物，并对实物进行了实际测量，测试结果基本符合设计指标要求和功能需求。该设计具有很好的实用价值，为小型化宽频带全向天线提供了一种参考。下一步研究的重点是：尽一步减天线的尺寸以适应远端机系统小型化的发展，并将其驻波比优化到1.5以下。

［1］苏华鸿，孙孺石，薛锋章，等.蜂窝移动通信射频工程［M］.北京：人民邮电出版社，2005：23－26. SU Hua-hong，SUNRu-shi，XUEFeng-zhang，etal.RFEngineering for Cellular Mobile Communications［M］.Beijing：Posts＆Telecom Press，2005：23－26.（in Chinese）

［2］薛锋章.一种用于移动通信的室内多波段吸顶天线：中国，02134538.4［P］.2005－05－04. XUE Feng-zhang.An indoormulti-band ceiling-mounted antenna for mobile communications：China，02134538.4［P］. 2005－05－04.（in Chinese）

［3］李元国，金灿洙.多频带PIFA天线：中国，201120239400.X［P］.2012－04－18. LIYuan-guo，JINCan-zhu.Multi-band PIFA antenna：China，201120239400.X［P］.2012－04－18.（in Chinese）

［4］Kraus JD，Marhefka R J.Antennas：For all applications，third Edition［M］.Beijing：Publishing House of Electronic Industry，2006：242－245.

［5］刘聪，薛锋章.一种用于隧道覆盖的超宽带单极子天线［J］.电讯技术，2010，50（10）：69－72. LIU Cong，XUE Feng-zhang.An Ultra Wideband Monopole Antenna for the Mantling of Tunnel［J］.Telecommunication Engineering，2010，50（10）：69－72.（in Chinese）

宋阳（1988—），男，湖北黄冈人，2010年获学士学位，现为硕士研究生，主要研究方向为移动通信室内分布天线和微波滤波器；

SONG Yang was born in Huanggang，Hubei Province，in 1988.He is now a graduate student.His research direction is indoor distributed antenna for mobile communications and andmicrowave filter.

Email：songy88＠126.com

薛锋章（1963—），男，江西吉安人，1986年于南京电子工程研究中心获工学硕士学位，现为研究员，主要研究方向为移动通信天线。

XUE Feng-zhang was born in Ji′an，Jiangxi Province，in 1963.He received theM.S.degree in 1986.He isnow a senior engineer of professor.His research direction is antenna formobile communications.

Email：eefzxue＠scut.edu.cn

SONG Yang，XUE Feng-zhang
（School of Electronic and Information Engineering，South China University of Technology，Guangzhou 510640，China）

Aminiaturized dual-band antenna is proposed.By adding coupling-load electric board，the antenna can achieve broad bandwidth with a low profile.Ansoft HFSS is used to simulate and design a low-profile antenna based on coupling-load which VSWR is less than 2 in the 824～960 MHz and 1710～2 690 MHz.Finally，an antenna is fabricated based on the simulationmodel.Themeasured VSWR is less than 2 in 811～1 050 MHz and 1 580～2 660 MHz，and the horizontal radiation pattern is omnidirectional.The antenna has a broad bandwidth with a restricted size.

wireless fiber distribution system；monopole；low-profile antenna；coupling-load

TN823.11

A

1001－893X（2013）02－0205－04

10.3969/j.issn.1001－893x.2013.02.018

2012－06－11；

2012－09－19 Received date：2012－06－11；Revised date：2012－09－19

❋❋通讯作者：songy88＠126.com Corresponding author：songy88＠126.com

Design of a Coupling-load-based Low-profile Antenna