新型非对称弯折电小平面偶极子天线

周玉婷,陈 星

(四川大学 电子信息学院，四川 成都 610065)

0 引言

短波和超短波[1-3]的波长长，传播和绕射能力强，在存在众多遮挡物、复杂地形环境以及远距离通信中发挥着重要作用。但短波和超短波的数米至上百米的波长造成常规情况下天线物理尺寸庞大[4]。特别在背负式通信和车载通信等应用场景中，天线尺寸受到严格限制，通常要求天线被设计为电小天线。因此，电小天线[5]在许多受限场景中具有重要应用价值。

H.A.Wheeler[6]在1948年给出了电小天线的定义。若某天线为电小天线，则必须满足：L<λ/2π(≈0.16λ),其中λ为天线工作频率对应的波长。因其重要的应用价值，电小天线一直是天线领域的研究热点。其设计迄今主要面临着2个方面的技术挑战。一方面，如何尽可能地降低天线的整体尺寸，以满足特殊应用场景的空间要求；另一方面，在保证天线电尺寸较小的前提下，如何扩展其工作带宽也是电小天线设计过程中急待解决的难题。例如,文献[7-8]中提到的EZ平面天线和槽天线，通过弯折方式,天线尺寸被缩小到0.08λ以下。但它们需要一个相对较大的地平面，这使整体天线尺寸变大，不利于天线小型化。Ziolkowski[9]团队利用壳层加载方式设计了一款电小电偶极子天线，天线尺寸在工作频点处有0.14λ,但相对带宽仅有2.1%。Jihun Choi[10]设计用于超短波通信的对称折叠偶极子天线，虽然能实现天线尺寸的缩减，但结构复杂，加工难度大，在40.01 MHz的相对带宽仅有0.28%。文献[11]提出的由多个谐振环组成的螺旋天线，相对带宽只有0.15%。

针对当前电小天线设计中存在尺寸大、带宽窄的不足，设计了一款非对称弯折电小偶极子平面天线。通过采用非对称弯折技术，将偶极子天线由长条形变形为非均匀宽度和间距的弯折曲线，实现了天线小型化，扩展了天线带宽，最后通过枝节加载方式，进一步改善了天线阻抗匹配。

1 天线设计与结构

1.1 天线演变

偶极子天线是最常见的天线类型之一[12]，其辐射振子在常规设计下通常为1/2λ，弯折偶极子天线辐射振子是一种应用广泛的电小天线设计技术,通过对天线高度、宽度和阵子间距的多次弯折改变天线工作频率、阻抗特性和带宽特性[13]，最终实现小型化。偶极子天线弯折技术[14]是指将天线2个辐射振子由长条形变形为弯折曲线，从而在保持振子总长度(天线表面电流流动路径长度)不变条件下，大幅度缩减天线的长宽尺寸，达到减小天线总体尺寸的目的。针对传统的偶极子天线，可以采用2类弯折技术来实现其小型化，即：对称弯折和非对称弯折,分别如图1(a)和图1(b)所示。其中,h1>h2>l1>h3>h4>h5。

考虑到天线的简洁性和易加工性，本文采用非对称弯折技术设计了一款电小平面偶极子天线。该天线由图1(b)中⑥号弯折方式优化而来，优化过程中，保持天线长宽高与⑥号天线的长宽高一致,长宽高分别为670 mm×300 mm×10 mm。优化过程如图2所示。

(a) 对称弯折

(b) 非对称弯折图1 2类弯折技术Fig.1 Two types of bending techniques

图2 天线优化过程Fig.2 Antenna optimization process diagram

从图2可以看出，⑦号天线是将⑥号天线的较长振子中间部位引出了一条弯折线，有效增加了振子总长度，使得天线表面电流流动路径变大。

天线优化仿真结果如图3所示。从图3(a)可以看出，天线工作频点从64.7 MHz降低到45.8 MHz，但是|S11|<-10 dB的相对带宽从1.2%(64.2～65.0 MHz)减小到0.8%(45.6～46 MHz)。为了改善带宽，将⑦号天线的弯折线进行优化，使得组成天线的弯折线具有非均匀的金属线宽度和间距。该非均匀弯折线给天线设计提供了更大的设计自由度。由天线回波损耗仿真曲线得出，通过加粗非均匀金属线后，天线工作频点从45.8 MHz降低到42.9 MHz，|S11|<-10 dB的相对带宽由0.8%增加到2.3%(42.4～43.4 MHz),因此，部分加粗非均匀弯折线可以进一步提高天线的工作带宽。

⑨号天线是在⑧号天线的较短辐射振子终端加载了一根短枝节，目的是进一步改善天线的阻抗特性。从天线输入阻抗仿真曲线可以看到，天线工作频点由42.9 MHz降低到40.7 MHz，天线更加小型化，天线实部增大，从30.70 Ω增大到48.65 Ω，逐渐接近50 Ω，虚部逐渐接近零，改善了天线阻抗匹配。

(a) 天线回波损耗仿真图

(b) 天线输入阻抗仿真图图3 天线优化仿真结果Fig.3 Simulation results of antenna optimization

天线优化后，电尺寸大大减小，工作频点从⑥号的64.7 MHz降低到⑨号的40.7 MHz，相对带宽(|S11|<-10 dB)在优化前基础上增加了1.1%，阻抗特性也得到了改善。

1.2 结构设计

采用非对称弯折技术设计的电小平面偶极子天线结构图如图4所示。

(a) 正面图(较长振子)

(b) 侧面图及馈电结构

(c) 反面图(较短振子)

该天线是将⑨号天线绕x轴顺时针旋转90°放置。该天线辐射主体采用厚度为0.065 mm的铜箔材料制成，支撑基板采用超细孔、密度大的PMI泡沫板制作，其相对介电常数接近于1，厚度d=10 mm。通过特性阻抗为50 Ω的SMA连接器进行底部馈电，其内外导体分别连接较长振子和较短振子，馈电点分别为a和b,最终形成一个非对称弯折平面电小偶极子天线。经优化后的天线结构参数值如表1所示。

表1 天线结构参数

2 仿真与测试分析

本文所设计的非对称弯折电小平面偶极子天线实物如图5所示，该天线的物理尺寸为670 mm×300 mm×10 mm，电尺寸仅有0.09λ×0.04λ×0.001 3λ(λ为测试中心工作频点40.3 MHz对应的波长)。

(a) 正面图(较长振子)

(b) 反面图(较短振子)

使用安捷伦矢量网络分析仪对安装好的天线进行测试，VSWR实测值与仿真值对比如图6所示，测试中天线绝对带宽(VSWR<2.5)为1.2 MHz，相对带宽约为3%。相对带宽在仿真结果上增加了0.7%，天线的谐振点从40.7 MHz降低到40.3 MHz，这是由于弯折线受到加工精度和安装误差的影响，使得弯折线宽度和间隙成不均匀分布，导致天线的测试带宽略宽于仿真带宽，谐振点往低频移动。

图6 天线VSWR实测与仿真对比Fig.6 Comparison between antenna VSWR measurement and simulation

由于天线工作在超短波频带，测试环境受到了严格限制，因此仅对天线进行了方向图仿真。为模拟天线在使用过程中受地面影响，仿真中在天线下方1 m处放置一块无限大PEC。非对称弯折电小平面偶极子天线在谐振频点40.7 MHz处的仿真辐射方向图如图7所示。

(a) zoy面

(b) xoy面图7 非对称弯折电小平面偶极子天线辐射图Fig.7 Radiating pattern of an asymmetrically bended electrically small planar dipole antenna

天线在xoy面方向图仅在上半空间分布，zoy面的增益最高达到-3.1 dBi，由于该天线不是严格的轴对称结构，因此造成了xoy面方向图的不对称。

3 结束语

本文提出了一种新型的非对称弯折电小平面偶极子天线。采用非对称弯折技术，在传统偶极子天线的基础上进行了改进，通过对弯折线的个数、宽度和间距进行优化，结合枝节加载，有效改善了天线工作频点、带宽和阻抗特性。较一般的电小天线，具有更小电尺寸和易加工的优势，因此，非对称弯折技术为天线的小型化和宽带化设计提供了一种全新的思路。