一款共面波导馈电单极子天线的设计

邹 彬，王 伟，赵泽西，华 伟

(1.四川大学 电子信息学院，四川 成都 610065；2.中国民航局 第二研究所，四川 成都 610041)

一款共面波导馈电单极子天线的设计

邹 彬1，王 伟2，赵泽西2，华 伟1

(1.四川大学 电子信息学院，四川 成都 610065；2.中国民航局 第二研究所，四川 成都 610041)

文中设计了一种工作在频段1～1.2 GHz采用共面波导(CPW)馈电的贴片单极子天线。该贴片天线印刷在相对介电常数4.5，厚度为1.6 mm的FR4的介质板上，背面添加的金属反射板确保天线的定向性指标达到设计的要求。仿真使用基于有限差分的三维电磁仿真软件，设计的贴片天线回波损耗、方向图等参数达到要求的指标。对该天线回波损耗的实际测量结果和仿真结果对比表明，在整个目标频段内吻合较好，满足设计指标要求。

定向辐射；平面单极子；共面波导(CPW)

天线广泛应用于通讯、雷达、导航、广播、遥测和天文等领域，在通信中有着非常重要的作用。近年来，随着民用航空的发展，机场飞机起降频率大幅度升高，机载通信设备数量大、种类多，由于频率、幅度不同的各种电磁信号使得机场电磁环境日益复杂，针对不同应用的天线提出更高的要求，不仅满足高质量的发射接收信号的需求，还要具有较强的电磁兼容性(EMC)性能。具备定向辐射性能的定向天线，由于在一定的方向内发射和接收信号，可在保证高质量的通信的同时，减弱其他方向设备的干扰，避免对其他电子设备的干扰影响。

平面印刷单极子天线以其结构简单，加工容易，造价低廉等优点受到广泛的关注[1-5]。共面波导(CPW)馈电方法具有结构简单紧凑，阻抗匹配易实现等优点[6-10]。常规的单极子天线带宽通常在5%以下，属于窄带天线，要实现带宽在10%以上，需要对天线的结构进行优化，采用渐变结构能在不大幅度改变天线结构的基础上，提高工作频率的带宽[5,11-14]。单极子天线的方向图在H面为全向辐射，为了让天线具备定向辐射的特性，采取背面增加反射板这种常见的方式来提高天线的方向性，减小背向辐射[15]。根据该天线是机场用于定向接收跑道方向上飞机起飞和降落时的应答机信号，本文设计了一款共面波导馈电的定向单极子天线，由单极子天线和金属反射背板两部分构成。利用电磁仿真软件对天线各部分参数进行仿真分析和优化，研究尺寸等参数对天线回波损耗、辐射方向图的影响，并实际测量。将实际测量结果与仿真结果对比表明，天线在整个目标频段内吻合较好，满足设计指标要求。

1 单极子天线仿真分析与测试

设计的天线工作频段要求在1～1.2 GHz，中心频率1.09 GHz。根据天线的指标要求，单极子天线部分包括辐射贴片和共面波导组成，制作于相对介电常数为4.5，长度465 mm，宽度60 mm，厚度1.6 mm的FR4介质基板上。

图1 单极子天线的结构

使用三维电磁场仿真软件对单极子天线进行建模仿真，其平面结构图，如图1所示。为了提高天线的工作频段宽度，对天线的贴片作渐变处理，贴片的长度L2取75 mm，L3取100 mm，L4取170 mm，宽W2取40 mm，W3取50 mm 。为了抑制非工作频段内相邻的谐振频带的干扰，在天线的顶端做了切角和开槽的处理[12]，其中切角的边长L5为119 mm，凹槽结构中矩形贴片的尺寸Lp为26 mm，Wp为19 mm。天线通过50 Ω的SMA同轴电缆连接共面波导进行馈电，为实现天线与同轴电缆阻抗较好的匹配，经仿真优化，将共面波导的中心带的宽度取2 mm，长度取100 mm，与两接地带的间隔均为1 mm，接地带的长度L1为90 mm，宽度W1为28 mm。

图2 回波损耗与CPW的关系

在传统共面波导的结构形式上增加半径R1为16 mm的圆形贴片，其中接地带侧的圆弧R2为20 mm，能较大幅度的增加电流的路径，将谐振的频带向低频调整。图2所示为优化前与优化后的回波损耗S11曲线对比，从中可以发现在增加该圆形贴片后，天线的谐振频率调整到了所需的工作频段1.09 GHz，同时也达到阻抗匹配的目的。

根据以上结构参数的仿真优化得到天线尺寸数据，加工制作了平面单极子天线的实物，如图3所示。随后使用矢量网络分析仪对天线的回波反射特性进行了测试，在频段1.03～1.2 GHz内，S11<-10 dB。将实际测量的结果与仿真数据进行了对比，如图4所示。从图中可以看出，实际测量的回波损耗S11参数与仿真的结果在频段1～1.2 GHz内近似吻合，满足设计指标要求。

图3 单极子天线实物

图4 实测与仿真S11对比

2 天线反射板设计

设计的天线要求在水平斜上和水平斜下的辐射方向上的增益>5dBi，半功率波瓣宽度<40°。根据要求，在单极子天线的背面增加了一块长Lr为590 mm，宽Wr为400 mm的金属反射板和长度为400 mm，宽度为120 mm的底板，反射板与底板垂直连接。根据该天线的应用场景为户外环境，需要将防水、架设等因素增加到天线的设计中，在结构上增加相对介电常数为4，内半径31 mm，外半径32 mm的玻璃钢外罩，两端采用内半径32 mm，厚度2 mm金属环固定，并通过半径为5 mm的金属支杆与反射板固定。天线的平面正视图和立体视图，如图5所示。

图5 天线正视图和立体图

图6 回波损耗与反射板的关系

在增加反射板、外罩和连接结构后，将天线的回波损耗S11曲线与增加前对比，如图6所示。可以看出在增加反射板后，天线的S11曲线在1.4 GHz出现了一个频带较窄的谐振频段，在其他频段天线的回波损耗曲线变化不大，不影响天线的设计工作频率，符合设计要求。

单极子天线与金属反射背板之间的距离能直接影响天线的辐射方向，通过仿真优化，当距离为60 mm时，天线的波瓣分为两瓣，水平斜上和水平斜下。图7所示为天线在1.09 GHz时的方向图，图7(a)为无反射板时的方向图，图7(b)图为增加反射板后的方向图，其中实线表示E面方向图，虚线表示H面方向图。从图7(a)中可以看出，天线在1.09 GHz处H面为全向辐射，E面方向图中主要辐射方向朝向两侧。图7(b)中所示为增加反射板后天线的方向图，H面的方向图发生了变化，E面方向图朝向一侧，在50°方向(水平斜上)，3 dB带宽29.5°，增益7.9 dBi，在315°方向(水平斜下)，3 dB带宽35°，增益6 dBi，均满足>5 dBi的设计指标。

3 结束语

根据天线的实际应用场景及指标要求，基于平面单极子天线，设计了一种以共面波导馈电的平面单极子天线，通过增加金属反射板实现天线的定向性要求，结构上增加了玻璃钢材质的保护罩，以适应恶劣的户外环境。在天线的设计过程中，根据指标要求，采用了渐变结构、调整共面波导等方法优化天线的频带特性并对其进行了研究分析。通过调整金属反射背板与单极子天线之间的距离，根据仿真优化，得到了满足要求的取值。最后根据优化结果所得的结构参数制作了单极子天线。经实际测量，该天线在1.03～1.2 GHz，S11< -10 dB，与仿真数值近似吻合，满足设计要求。

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Design of a CPW-fed Monopole Antenna

ZOU Bin1,WANG Wei2,ZHAO Zexi2,HUA Wei1

(1.School of Electronic Information Institute,Sichuan University,Chengdu 610065,China；2. The Second Research Institute of CAAC,Chengdu 610041,China)

A coplanar waveguide(CPW)-fed monopole antenna working at 1～1.2 GHz is designed which is printed on a FR4 plate with a thickness of 1.6mm and a dielectric constant of 4.5. The directivity of the antenna matches well to the desired parameters with an added metal reflector behind the antenna. Three dimensional electromagnetic simulation software was used to optimize the parameters of the antenna. The return loss and the pattern of the designed antenna reaches the desire ones. The monopole antenna is manufactured and tested. The comparison with tested results and the simulation ones shows the good agreements with the design requirements in whole target frequency range.

directional radiation; planar monopole ; coplanar waveguide (CPW)

2017- 03- 24

自然科学基金民航联合基金(U1433129,U1633129)

邹彬(1985-)，男，硕士研究生。研究方向：电磁场与微波技术。王伟(1983-)，男，副研究员。研究方向：通信导航监视系统。赵泽西(1988-)，男，硕士，助理研究员。 研究方向：通航机载监视系统设计、嵌入式系统开发与测试。华伟(1967-)，男，博士，副教授。研究方向：电磁场与微波技术。

TN821

A

1007-7820(2018)02-032-03