低剖面小型化天線的設計論文
天線結構與模擬分析
1雙頻小型化天線設計原理
圖1為遠端機天線安裝結構圖,可見對天線尺寸要求是低剖面且金屬地寬度較窄。對輻射特性要求是垂直極化且具有全向性。要進行全向訊號覆蓋,單極子天線是設計的首選。而單極子需要四分之一波長的高度,訊號要覆蓋GSM900頻段,則工作在頻率f0(波長λ)的傳統的單極子高度h為h=λ/4=c/(4×f0)≈83mm(1)式中,c為真空介質中的光速。高度顯然太大了。降低單極子高度的方法有很多,其中最經典的就是頂部載入[2]的方法。然而直接載入有兩個缺點:一是對單極子的輻射效能有很大影響,直接導致全向性變差,在限制金屬地尺寸(金屬地較小)的情況下,全向性更差,在2.5GHz或更高頻點時方向圖甚至有零點;二是會影響天線在高頻段的輻射效能和阻抗特性,使S引數變得發散。為此本文根據寄生耦合[4]的原理設計一款在單極子頂部透過寄生耦合載入的低剖面天線。透過調節載入耦合大小,既調節了天線的阻抗頻寬也減小了載入板對單極子方向圖的影響,從而保證其全向性。由於橢圓形單極子可以在很寬的頻帶內獲得良好的阻抗特性,因此,本文選用橢圓形金屬片作為單極子主輻射體[5]。如圖2所示,橢圓銅片為單極子主輻射體,厚度為0.5mm。單極子輻射體頂部是寄生耦合的單面環氧板,寄生板兩邊的不對稱是為了調整阻抗特性穩定。且單極子頂部高過載入板上表面1mm,調整該高度對耦合大小有一定的影響,但主要的耦合大小是透過調節圖2(b)中頂部覆銅層中的耦合矩形的長L和寬W。單極子底部透過微帶饋電網路給它匹配饋電,板材採用介電常數為265的'FR4,厚度為1mm。天線置於190mm×40mm金屬地的正中央。整個天線高度為35mm,約為900MHz頻點的01個波長。
2模擬分析
本設計使用模擬軟體AnsoftHFSS13.0建模模擬。透過調節載入板上耦合矩形的長L和寬W,使天線的S引數更收斂後再透過匹配電路來對其匹配。最終調整得耦合處W=3mm,L=22mm。圖3為其模擬的駐波比。可見其在824~960MHz和1710~2690MHz頻帶內駐波基本小於2。高頻駐波頻寬比低頻要寬的結果是由於對垂直高度的限制致使低頻段的阻抗特性發散而難以匹配。
實物測試
根據模擬模型製作了天線實物,並用PVC(PolyvinylChloride)材料製作相應天線罩的實物,如圖4所示。圖5為AglientE5071C實測駐波結果。駐波頻寬為811~1050MHz/1580~2660MHz。與模擬結果有一定的區別,這是由於軟體建模及其計算過程存在一定理想化的處理,且實際製作裝配也有一定的工差。在微波暗室中對該天線進行了相應的方向圖測試,其在0.91GHz和2.3GHz處的水平面方向圖模擬與測試結果對比如圖6~7所示。從上圖可見,實測在0.91GHz和2.3GHz處分別有2.25dB和3.37dB增益,並有著不錯的全向性,該天線模擬與實測的方向圖比較一致。綜上,可見該低剖面天線的實際測試電路引數和輻射引數均滿足設計指標要求和功能需求。
結論
本文基於耦合載入的思想設計了一款用於分佈系統中遠端機的低剖面小型化天線。與傳統全向天線相比,它在小金屬地、低剖面情況下提供了寬頻段訊號覆蓋。以軟體模擬結果為基礎製作了實物,並對實物進行了實際測量,測試結果基本符合設計指標要求和功能需求。該設計具有很好的實用價值,為小型化寬頻帶全向天線提供了一種參考。下一步研究的重點是:盡一步減天線的尺寸以適應遠端機系統小型化的發展,並將其駐波比最佳化到15以下。
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