一种集总元件加载极端电小折叠单极子天线设计

赵之帆，陈 星

(四川大学 电子信息学院，四川 成都 610065)

0 引言

短波、超短波通信作为无线电通信的一种方式, 因其具有波长长、传播和绕射能力强等特点, 在远距离和复杂环境通信中具有重要的地位, 许多特殊场景以及航空通信中离不开短波和超短波通信[1-3]。由于短波和超短波的波长可达数米至上百米，导致常规电尺寸下天线物理尺寸极其庞大。在很多应用场景中，天线尺寸受到严格限制，而电小天线的特点是其电尺寸远小于常规天线，因此，电小天线在许多天线尺寸受限场景中具有重要应用价值[4]。单极子天线是最普遍的一类天线[5-6]，这种天线相比于传统半波偶极子天线而言，仅需要四分之一波长的电尺寸。因而采用单极子天线进行电小天线设计引起了人们重视。

1948年， Wheeler研究了电小天线的电磁特性并提出了电小天线的定义[7]；Chu和Harrington在此基础上对电小天线做了更为全面的理论分析[8-9]；2005年， Mattioni通过加载电路的方式，设计了一款超宽带电小折叠单极子天线[10]；2013年， Oh提出了一款顶部加载贴片电容的低剖面折叠单极子天线，实现了极端电小天线性能[11]。

微带单极子天线作为微带天线的一类，具有结构简单、易于加工和集成等特点。其馈电网络可与天线结构集成[12]，可通过微带巴伦结构或是阻抗元件加载等方式实现阻抗匹配。同时，可采用高介电常数的介质基板实现微带天线的小型化设计[13-14]。

本文提出一种新型微带天线结构，该结构基于微带单极子天线，通过增加电流路径，拓展天线带宽，并引入集总元件加载技术[15]，使天线具有极端电小特性以及超宽带特性，并且在工作频段内，天线具有良好的全向辐射特性。

1 天线结构设计

本文以微带单极子天线为基础，进行集总元件加载极端电小天线设计，天线设计过程如图1所示。图中绿色部分为覆盖在介质基板上的接地共面波导及天线辐射结构，黄色部分为覆盖在介质基板下面的金属地。其中，图1(a)为最初的微带单极子天线，它是一种谐振式天线，对应工作模式为窄带；将其延长弯折，并在辐射部分末端接地，形成如图1(b)所示的折叠偶极子天线。为了增加天线工作带宽，在图1(b)的基础上扩展了新的短路枝节，以引入高频谐振点，使天线为双频模式，形成了微带双折叠偶极子天线，如图1(c)所示。最终通过加载集总元件的方式，将天线的带宽进一步扩展，并实现了极端电小的特性，如图1(d)所示。

(a) 结构1

设计的天线仿真结构如图2所示，图中天线的长宽分别用L、W表示，L_a和W1分别是天线辐射部分的长和宽，微带线的宽度为1.6 mm，L_gnd是介质基板背部金属地的长度，介质基板的厚度为1.5 mm，L_cpw为接地共面波导长度，Gap_c为等效电容在微带结构的开口宽度，Gap_l为安装集总元件的预留宽度。

(a) 结构参数

天线采用50 Ω同轴线，由W_f1处的接地共面波导馈电，通过一小段渐变微带线连接天线辐射部分。由于采用了接地共面波导，在天线辐射末端直接与接地共面波导相连，省去了过孔接地，避免了过孔对天线输入阻抗的影响。天线参数如表1所示，阻抗元件值如表2所示。

表1 天线结构参数

表2 集总元件参数

2 天线仿真分析

对图1(c)所示未加载阻抗元件的微带双折叠单极子天线结构进行仿真分析，其电压驻波比(Voltage Standing Wave Ratio,VSWR)如图3(a)所示，阻抗曲线如图4(a)所示。由图可知，天线对应的工作频段为1.07～1.31 GHz和1.56～1.60 GHz，根据仿真结果，验证了双折叠单极子通过增加短路枝节，引入新的谐振点以实现拓展带宽的可行性。进而，对天线模型进行加载阻抗元件，仿真的电压驻波比结果如图3(b)所示，阻抗曲线如图4(b)所示，天线对应的工作频段为0.17～0.91 GHz，通过加载阻抗元件，使得天线的电阻分量在0.17～0.91 GHz时维持在50 Ω附近，电抗分量在工作频段内维持在-50～50区间内，因此天线具有良好的阻抗带宽。

(a) 未加载阻抗元件模型VSWR图

(a) 未加载阻抗元件模型阻抗曲线

由仿真结果得知，当未加载阻抗元件时，天线对应的电尺寸为0.33λ×0.14λ×0.005λ(其中，λ对应为1.07 GHz时的工作波长)，加载阻抗元件后，电尺寸为0.053λ×0.022λ×0.000 8λ(λ为低频0.17 GHz处的波长)。从该仿真数据验证得知，通过加载阻抗元件，极大地减小了天线的电尺寸，工作频段内电压驻波比均小于2。

3 天线加工测试

为了验证设计的可行性，对图1(d)的模型进行了加工实测，加工的天线模型如图5所示。驻波测试环境如图6所示。图7为天线测试与仿真的驻波对比结果。测试了该天线在350 MHz、550 MHz、750 MHz的方向图及增益。

(a) 天线实物图正面

图6 天线驻波测试环境

由图7可以看出，该天线的测试驻波工作频率范围为200～910 MHz，图8、图9分别为天线在350 MHz、550 MHz、750 MHz测得的E面和H面归一化方向图。表3为天线在对应频点处测得仿真与实测的增益结果对比，表4为天线H面方向图的不圆度仿真和测试结果对比。观察测试结果，天线在200～900 MHz内驻波均小于2，H面方向图的不圆度在350 MHz、550 MHz和750 MHz处均小于1.2 dB，因而天线具有较好的全向辐射特性，天线测试结果与仿真结果吻合良好。

图7 驻波仿真与测试对比图

表3 天线增益仿真与测试结果对比

表4 H面方向图不圆度

(a) 350 MHz

(a) 350 MHz

4 结论

本文设计了一款集总元件加载极端电小天线。该天线基于平面单极子天线基础上，拓展电流路径，形成折叠单极子天线；通过引入高频谐振，增加短路枝节，进而扩展天线工作带宽；最后，在平面双折叠单极子天线的基础上，通过阻抗元件加载技术，实现了具有超宽带、极端电小特性的新型微带天线。由加工模型测试的结果对比，该天线的仿真性能与实测性能吻合较好，验证了该设计的可行性。