不平衡馈电的宽带全向偶极子天线设计.pdf

年 无线电工程 第 卷 第 期：引用格式：邓蔚，盛丽丽，刘国，等不平衡馈电的宽带全向偶极子天线设计无线电工程，（）：，（）：不平衡馈电的宽带全向偶极子天线设计邓蔚，盛丽丽，刘国，曹卫平（桂林电子科技大学 广西无线宽带通信与信号处理重点实验室，广西 桂林；桂林航天工业学院 电子信息与自动化学院，广西 桂林；中国电子科技集团公司第二十九研究所，四川 成都；电子信息控制重点实验室，四川 成都）摘要：为了实现在多频段下的无线通信需求，设计了一种宽带偶极子天线。天线由介质基板上下表面的一对多边形覆铜贴片组成，通过对形状不同的偶极子实现宽频带辐射。天线使用接头直接馈电，为了减轻不平衡电流对天线辐射性能的影响，在天线上表面添加三角形结构，在下表面进行开槽，以调整表面电流的幅值与相位。实测结果表明，天线在 电压驻波比小于，且方向图具有全向特性，实测结果与仿真结果具有较好的一致性。该宽带偶极子天线具有质量轻、剖面低的特点，为多频段无线通信提供了一种可能的结构。关键词：全向；宽带；无线通信；不平衡馈电；偶极子天线中图分类号：文献标志码：开放科学（资源服务）标识码（）：文 章 编 号：（），（，；，；，；，）：，：；收稿日期：基金项目：广西自然科学基金面上项目（）：（）引言全向天线能够接收相当宽范围的电磁信号，在探测、通信等作业中具有广泛的用途，常被用于各种手持设备、背负式电台和车载设备等。实现全向天线的方式包括偶极子天线、微带贴片天线、开槽天线以及环天线。传统的水平全向天工程与应用 线是偶极子天线，但是传统的偶极子天线存在带宽较窄的问题，限制了其在宽带情况下的应用，且其长度与半波长相关，尺寸也相对较大。为了拓展偶极子天线的频带并保持其全向辐射特性，常会在偶极子的基础上使用各种变形结构，例如领结型偶极子、添加谐振环以及其他寄生结构等。此外，通过模式分析，激发多个高次模来拓宽偶极子天线的频带也是一种可行的手段。因为对偶极子天线馈电常使用不平衡接头与传输线，而偶极子要求输入平衡电流，故需要为偶极子天线配置不平衡平衡转换器（巴伦）。当天线的工作频带增加时，设计巴伦的难度也随之加大，且会占用一定体积。本文尝试将天线结构与超小型版（，）接头结合进行分析，在不添加巴伦的情况下抑制不平衡电流对偶极子天线的影响，从而减小交叉极化并保持全向特性。本文针对频段下的水平全向通信需求，设计了一款结构简单、易于加工的平面宽带偶极子天线。仿真结果显示，天线的相对阻抗带宽为（），覆盖了（）、（）、协议（）、蓝牙（）等多个无线通信频段。为了对天线的宽带特性与全向特性进行验证，进行了加工与实测。天线结构天线结构如图所示，天线由覆盖于厚度为 的介质基板（相对介电常数 ）上下表面的层金属铜贴片组成，形成偶极子的两臂，由接头的内芯与法兰盘分别进行馈电。因为接头与同轴传输线均为不平衡状态，所以需要进行不平衡到平衡的转换。当天线尺寸较小时，其产生的不平衡电流对天线的影响较大。为了在不增大天线整体尺寸的前提下解决这一问题，天线上下金属贴片的形状被设计成不完全对称的结构，以减轻不平衡电流的影响并维持天线的全向性。表给出了天线的参数。天线的整体尺寸为 ，为天线中心频率 在自由空间中所对应的波长。（）上表面（）下表面图天线结构 表天线参数 单位：参数取值参数取值参数取值天线设计与分析根据拉姆塞原理，若天线的形状仅由角度决定，则天线具有非频变的阻抗特性。但完全的非频变天线需要无限长的结构才能实现，现实中必须将天线尽头截断，从而产生反射电流并引起阻抗失配。因此，拓宽天线频带的关键在于使用合适的结构，在限定的尺寸下尽量降低末端反射电流对天线阻抗特性的影响，本文使用了折线组成的叶片形结构。相比圆弧结构，折线结构还能减小天线的加工难度。由于天线的体积相对于馈电用的接头较小，导致不平衡电流会对其性能产生较大影响。因此从设计开始就应将接头考虑进设计当中，并尝试降低不平衡电流对天线的影响。工程与应用 年 无线电工程 第 卷 第 期 图为基准的叶片型偶极子天线，其上下表面图形完全相同，在馈电端已经使用了接头。图为理想馈电与实际馈电天线的仿真参数。对于理想馈电来说，天线谐振于 ，而实际馈电时天线谐振于 ，谐振点向低频移动。在使用接头直接馈电的情况下，因为接头内芯与外表面存在不平衡电流，导致天线上下表面电流的幅值与相位均存在较大差异，从而造成了较高的交叉极化。为了降低影响，在基准天线的基础上，于天线上表面添加三角形结构，下表面加宽馈电结构并开槽。天线上表面的三角形结构通过增加电流路径从而调整表面电流的相位。而下表面在开槽后，电流密度有所增加，同时电流抵达较小偶极子的路程缩短，变相改变了电流相位。又由于天线在高频处主要依靠较小的偶极子边缘进行辐射，这使得天线的辐射性能得到了改善。图为理想馈电、实际馈电和使用结构优化后的实际馈电交叉极化水平。图为 处，天线上表面与下表面馈电贴片的电流优化前后的分布。可以看出，在优化前，上下表面的电流幅值差距很大，且相位差并非，造成了较高的交叉极化水平。而优化后，上下表面的电流幅值差距减小，且相位差接近，从而减轻了交叉极化。图基准天线结构 图基准天线结构仿真参数 图天线交叉极化 （）表面电流幅值（）表面电流相位图 处馈电贴片表面电流幅值与相位分布 天线的演化如图所示。为了拓宽天线的频带，在优化后的基准天线的下方添加了一对尺寸较小的多边形偶极子单元，以在较高频段进行辐射。添加较小的偶极子后，天线的频带有所拓宽，但相应地也在高频发挥了引向器的作用，这使得天线的辐射方向图偏向于安装了接头的方向，影响了天工程与应用 线的全向性。为此，在天线的顶部增加一对方形贴片。当天线工作于 时，较大的一对偶极子贴片会在方形贴片上产生耦合电流，从而借助方形贴片向天线的上方进行辐射，如图所示，起到抵消较小偶极子引向的作用，改善天线的方向图。（）改进后的天线（）改进后的天线图天线的演化 图 处方形贴片的电流分布 天线测试结果加工的天线实物如图所示，通过矢量网络分析仪对天线的参数进行测试。图给出了天线的参数的仿真与实测结果。由于天线加工存在误差以及接头损耗等原因，导致参数的实测结果与仿真结果存在一定差异，实测阻抗带宽大于仿真阻抗带宽。从整体趋势上来看，实测结果与仿真结果较为吻合。（）上表面（）下表面图天线实物 图天线仿真和实测参数 在微波暗室内对天线的增益与辐射特性进行测试，得到天线的增益随频率变化的曲线，如图所示。图为天线面与面的仿真与实测归一化方向图。可以看出实测与仿真方向图的大体趋势比较吻合，在全频段内天线的辐射特性较为稳定，具有水平全向辐射特性，验证了本文电磁仿真结果的正确性。表比较了所设计的天线与参考文献天线的各项参数，可以看出，在维持了较小尺寸的情况下，本文设计的天线具有较宽的相对带宽，实现了宽带特性与全向特性。图天线仿真和实测增益 工程与应用 年 无线电工程 第 卷 第 期（）面 （）面 （）面 （）面 （）面 （）面 图天线仿真和实测归一化方向图 工程与应用 表设计天线与其他相关天线的比较 文献 阻抗带宽 增益 尺寸 本文 结束语本文设计了一款用于多频段无线通信的宽带全向偶极子天线，利用折线形结构改善天线的电流分布，并将组形状不同的偶极子进行组合以获得宽频带特性。天线具有（）的相对阻抗带宽，并利用非对称结构减轻了不平衡接头对天线性能的影响，从而抑制了交叉极化，同时使用耦合结构维持天线的全向特性。天线结构简单、易于实现，为宽带全向天线的设计提供了一种方案。?参考文献，（）：，（）：，：，（）：，（）：，（）：，：，：，（）：，（）：，：，：，：，（）：，（）：，（）：，：，：，（）：，（）：工程与应用 年 无线电工程 第 卷 第 期 ，（）：，（）：，（）：，（）：，天线：第三版章文勋，译北京：电子工业出版社，作者简介邓蔚男，（），硕士研究生。主要研究方向：宽带天线。盛丽丽女，（），博士，讲师。主要研究方向：微波射频与超材料天线。刘国男，（），博士，高级工程师。主要研究方向：综合探测与电子战新天线设计。（通信作者）曹卫平男，（），博士，教授，博士生导师。主要研究方向：射频与天线。工程与应用