开放式套筒单极子手持天线的设计与验证

唐世荣 乔玮 高喜 宋浠瑜

(1.广州海格通信集团股份有限公司,广州 510663;2.桂林电子科技大学信息与通信学院, 桂林 541004)

开放式套筒单极子手持天线的设计与验证

唐世荣1乔玮2高喜2宋浠瑜2

(1.广州海格通信集团股份有限公司,广州 510663;2.桂林电子科技大学信息与通信学院, 桂林 541004)

设计了一种阶梯结构、集总加载的辐射体、双弧形金属片围成半管状的开放式结构为套筒的开放式套筒单极子天线,天线具有良好的驻波比带宽. 电磁仿真结果表明:在400～700 MHz的频带内,天线驻波比均优于2,天线在水平方向的增益均值高于0 dBi. 实验测试结果与仿真结果具有良好的一致性,证明天线具有较好的辐射性能.

开放式套筒;宽带小型化;集总加载;阶梯结构

DOI 10.13443/j.cjors.2016031101

引 言

通信技术日新月异,移动终端以便携式、小型化、手持式趋势发展,对天线的辐射性能、尺寸要求也在不断提高,高频(High Frequency,HF)、甚高频(Very High Frequency,VHF)、特高频(Ultra High Frequency,UHF)频段尤为明显．手持式UHF天线已广泛用于移动通信终端,相应的天线多为单极子结构,存在工作频带窄、驻波比偏大、结构尺寸大等不足．人们对单极子天线的拓宽宽带、小型化等方面作了诸多改进工作[1-2]．例如:将单极天线安装在较大尺寸的地板上,套筒加载能有效拓展其工作带宽及实现小型化[3-4],但尺寸过大,限制了移动终端的应用场合．文献[5]提出一种采用双套筒和圆锥形辐射体结构,有效缩减天线的尺寸,并得到较高的增益和良好的不圆度,但结构复杂,加工难度大,且驻波比偏大．文献[6]研究小半径套筒对天线辐射性能的影响,减小套筒尺寸的同时,伴随着压缩驻波比带宽,难以实现倍频程的工作带宽．文献[7]使用矩量法对带反射腔开式套筒进行理论分析,证明开式套筒的电磁有效性．

本文设计了一种开放式套筒加载的宽带、小型化单极子天线．开放式套筒由一个单极子和两个或多个副振子组成,副振子排列于单极子馈电端口周围,且不与单极子辐射体电连接．本设计中的单极子天线辐射体采用集总加载,阶梯状结构等方式实现小型化和宽带扩展,整体结构易于加工,适合批量生产．副振子为两个弧形围成半管状的金属片,此结构能体现套筒的电性能,且尺寸和造型符合平板型手持终端的应用场合．

1 设计的理论基础

1.1 套筒加载

单极子为典型驻波天线,辐射体上的电流分布随电长度或频率变化显著．当天线高度h=λ/4和h=λ/2时,单极子表面电流分布如图1(a)(b)所示．可以看出,单极子的输入阻抗在随着频率的改变而发生很大的变化,单极子的阻抗带宽将会受到很大程度的限制．如果能使馈电处的电流随频率变化很小,则可提高阻抗频带带宽．

单极子天线单极子天线 (c)加载套筒单极子天线图1 单极子电流分布示意图

套筒结构本身就具有激励多个谐振点、拓展带宽的特性．传统意义上的套筒天线是将一段围绕内部辐射单元的管状导体套筒与内辐射单元组合在一起构成加入套筒,由于单极子的耦合,套筒内壁感应出与套筒内单极子上相反的电流,相当于同轴线的外导体,外臂上感应出与套筒内单极子相同方向的电流,起辐射元的作用．此时套筒的上端能够形成一个虚拟馈电点,加载套筒单极子天线表面电流如图1(c)所示．通过图1的对比可以看出,驻波比(Voltage Standing Wave Ratio,VSWR)小于4的带宽高达倍频．在本文所设计的手持式天线中,天线接地板呈方盒状,套筒天线安置在金属地板的侧面,且由于套筒超过金属地板的部分做了切面处理,在保证性能基础上,结构符合手持天线要求．

1.2 阶梯状单极子

图2给出了本文设计天线的最终模型,由图2(b)可看出,在沿着辐射振子的轴线方向,振子的半径呈分段式阶梯状．这种将单极子设计成倒锥的阶梯状设计,可以拓展阻抗带宽,同时增加分布电容性加载,增加天线的有效长度,能够实现天线小型化[8]．

(a) 天线整体主视图、俯视图 (b) 3D模型图(注：gndy为地板高度，gndx为地板长度，gndz为地板宽度，r1、r2、r3、r4分别为第一、二、三、四节半径，h1、h2、h3、h4分别为第一、二、三、四节高度)图2 天线模型示意图

1.3 集总电感加载

手持式移动终端天线为电小单极天线,工作频段内呈容性[9],馈电端口加载集总参数电感可以明显扩宽天线的带宽．

综上所述,为拓宽天线的工作带宽,可采用加载套筒,阶梯状辐射体和加载集总元件等设计．对于本文所设计的天线,套筒的设计是其中的重要环节,主要考虑以下两个方面:1)使用新型套筒后,天线性能是否改善;2)天线整体尺寸是否达到手持天线要求．

图3 套筒天线等效电路

为了更细致地描述设计思路,图3给出了所设计天线整体等效电路．馈电端口串联加载集总参数电感L1,接入天线振子与套筒,套筒等效的T型匹配网络(等效的电感L2,L3为非理想元器件)．阶梯状的辐射体,可认为常规辐射体并联分布电容C2,辐射体的电抗等效电感和电容的并联,辐射体热损电阻暂忽略,电阻为等效辐射电阻R1．

2 天线设计、仿真及优化

基于上述理论,我们设计一种开放式套筒阶梯单极子手持天线,考虑实际使用环境,增加终端金属盒和开放式套筒加载．天线模型如图2所示,其中套筒依附于聚四氟乙烯材料．

值得注意的是,对于本文所设计天线,采用了有切面的圆柱形聚四氟乙烯固定弧形片和单极子．而聚四氟乙烯作为介质会影响天线的电性能,因此对聚四氟乙烯结构尺寸对天线电性能影响的研究也是必要的．基于仿真软件CSTmicrowavestudio,我们改变聚四氟乙烯尺寸的相关参数对天线驻波比进行对比与分析,结果如图4所示．在其他条件不变的情况下图4(a)和(b)分别给出了聚四氟乙烯半径与高度线性变化时对天线VSWR的影响对比,可以看出,聚四氟乙烯的尺寸主要对天线较高频率处有较大影响,较低频率影响较小．在后续的设计优化过程中,我们可以通过改变聚四氟乙烯的尺寸,来保证天线驻波比．

(a) 聚四氟乙烯半径对天线驻波比的影响 (b) 聚四氟乙烯高度对天线驻波比的影响图4 聚四氟乙烯半径和高度对天线驻波比的影响对比图

随后,在建立了套筒与阶梯状单极子仿真模型后,我们根据SMITH圆图设计了所需加载的集总电感值,并进行一系列优化．经优化后的具体尺寸见表1,套筒的长度为50mm,半径为12mm．最终得到SMITH圆中的阻抗频率曲线,如图5所示;仿真所得天线H面内400MHz、550MHz、700MHz的远场辐射图,如图6所示．可以看出:天线的阻抗曲线在SMITH圆中,均位于VSWR=2的圆内,说明开放式套筒阶梯状单极子手持天线在工作频率400～700MHz内,有良好的阻抗匹配特性．该天线为水平全向性,水平面内具有较好的方向图特性,平均增益大于0dBi．为证实开放式套筒加载方法的优越性,我们对无套筒加载、开放式套筒加载以及非开放式套筒加载三种天线形式的驻波比进行对比,其结果如图7所示．从图中可看出,当加载开放式套筒及非开放式套筒时,天线的驻波比带宽得到了极大的拓展．另一方面,对于开放式套筒加载和非开放式套筒加载两种情况,天线的驻波特性没有明显的变化,这恰恰说明非开放式套筒加载的有效性．为进一步研究阶梯状辐射体的驻波特性,我们将其与非阶梯结构的驻波比进行对比,结果如图8所示．图中清晰表明,阶梯结构天线的驻波比小于2的工作带宽为500 MHz(350～850 MHz),而等半径结构的相应带宽为295 MHz(350～645 MHz),其驻波比带宽增加了205 MHz．

表1 仿真模型中的参数值 单位:mm

图5 仿真得到的SMITH圆图

图6 天线远场辐射H面方向图

图7 三种天线形式仿真的驻波比曲线对比

图8 阶梯状和等半径圆柱辐射体的仿真驻波比曲线对比

3 实测验证

为验证理论分析与设计仿真的正确性,我们加工了样机天线并对其进行了相关测试验证．利用矢量网络分析仪对天线的驻波比进行测试,结果如图9所示．图中显示,在350～700 MHz的频率范围内,测量曲线与仿真曲线的趋势相同,且在重要拐点的驻波比也很接近．该天线加工过程中,地板和电感均由手工制作,所以谐振频率的略微偏差可以归结为加工与测试误差．

图9 实验测试与仿真驻波比对比

4 结 论

本文设计一种开放式套筒阶梯状变化的半径单极子手持天线,并采用集总加载,阶梯状辐射体等方式有效实现天线的小型化和带宽化．实验和仿真结果表明,400～700 MHz的工作频段内,天线驻波比小于2．天线在水平面内的平均增益大于0 dB．该天线结构简单,易于加工,在UHF手持移动终端的应用中具有独特的优越性．

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Design and demonstration of open-ended sleeve handheld antennas

TANG Shirong1QIAO Wei2GAO Xi2SONG Xiyu2

(1.GuangzhouHaigeCommunicationsGroupIncorporatedCompany,Guangzhou510663,China;2.SchoolofInformationandCommunication,GuilinUniversityofElectronicTechnology,Guilin541004,China)

An open-ended sleeve antenna loaded with a stepped structure and lumped element is designed. The antenna possesses good voltage standing wave ratio(VSWR) bandwidth. The electromagnetic simulation results show that the VSWR of the proposed antenna is less than 2 in the frequency range from 400 MHz to 700 MHz, and the horizontal gain is greater than 0 dBi. The antenna is also fabricated to demonstrate its performance. The experimental results have good agreement with simulation ones.

open-ended sleeve; wideband and miniaturization; lumped loaded; stepped structure

2016-03-11

国家基金(61461016)；广西自然科学基金(2014GXNSFAA118366)；广西自然基金滚动基金(2015jjBB7002)

10.13443/j.cjors.2016031101

TN82

A

1005-0388(2017)01-0079-05

唐世荣 (1982—),男,湖南人,硕士,主要从事天线与电磁兼容研究．

乔玮 (1991—),男,河南人,硕士,主要研究方向为天线小型化．

高喜 (1976—),男,湖南人,博士,教授,硕士生导师,主要从事超材料以及天线设计方面研究．

宋浠瑜 (1984—),女,广西人,硕士,主要从事光电材料及相关研究．

联系人： 高喜 E-mail：Gao_xi76@163.com

唐世荣,乔玮,高喜,等. 开放式套筒单极子手持天线的设计与验证[J]. 电波科学学报， 2017，32(1)：79-83.

TANG S R,1 QIAO W, GAO X, et al. Design and demonstration of open-ended sleeve handheld antennas [J]. Chinese journal of radio science,2017，32(1)：79-83.(in Chinese). DOI: 10.13443/j.cjors.2016031101