呂文俊，朱洪波

(南京郵電大學(xué) 通信與信息工程學(xué)院 江蘇省無(wú)線通信重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室，江蘇 南京 210003)

1 引言

隨著現(xiàn)代無(wú)線通信的發(fā)展，寬帶化、高速化已經(jīng)成為無(wú)線通信的發(fā)展趨勢(shì)。為了滿足寬帶化的需要，同時(shí)兼容現(xiàn)有的無(wú)線通信系統(tǒng)，研制具有超寬帶特性的小型平面天線[1]是非常有必要的。常見(jiàn)的超寬帶天線包括單/偶極子天線[2～5]和縫隙天線[6～10]，前者的設(shè)計(jì)方案主要包括印刷型單極子與板狀單極子，一般通過(guò)把單極子的形狀設(shè)計(jì)為水滴形、多邊形或橢圓形即可獲得超寬帶工作特性；后者則一般采用不同形狀的寬縫隙或半閉合漸變槽[11]，通過(guò)調(diào)整調(diào)諧枝節(jié)的尺寸參數(shù)獲得超寬帶特性，其優(yōu)點(diǎn)是只需在電路的屏蔽層上刻蝕輻射單元而無(wú)需預(yù)留額外的安裝位置，集成度較高。除此以外，另一類具有寬帶特性的天線是折合環(huán)天線[12,13]，與常規(guī)的寬縫隙天線相比，這類天線結(jié)構(gòu)相對(duì)簡(jiǎn)單，無(wú)需采用結(jié)構(gòu)復(fù)雜的輻射單元[14]或饋電結(jié)構(gòu)[15]，而且具有較寬的阻抗帶寬（可達(dá)50%左右），具備實(shí)現(xiàn)超寬帶工作特性的潛力；由于采用了折合結(jié)構(gòu)，其體積也較小。由于這些特點(diǎn)，折合環(huán)天線有望應(yīng)用在超寬頻帶的便攜式設(shè)備中。然而，現(xiàn)存的折合環(huán)天線在應(yīng)用中也存在一些問(wèn)題：首先，它們的帶寬只能做到50%左右，在保持簡(jiǎn)單結(jié)構(gòu)的基礎(chǔ)上，其帶寬提高程度有限；另一方面，折合環(huán)天線是完全對(duì)稱結(jié)構(gòu)[16]，饋電需要寬帶平衡器，頻率較低（L波段及以下）時(shí)不難實(shí)現(xiàn)，但隨著工作頻率的提高，實(shí)現(xiàn)體積小、結(jié)構(gòu)簡(jiǎn)單、插損低的寬帶平衡器并不容易，況且平衡器的引入還可能會(huì)增加系統(tǒng)的損耗和復(fù)雜性。因此，如何有效地改進(jìn)這類天線的饋電方式，對(duì)實(shí)現(xiàn)其寬帶化和實(shí)用化有重要意義。

基于這一研究背景，下文將提出一種新型的折合環(huán)天線設(shè)計(jì)。這種新型天線直接采用共面波導(dǎo)（CPW,coplanar waveguide）進(jìn)行饋電，而無(wú)需如同文獻(xiàn)[13]中的天線那樣采用平衡器進(jìn)行饋電；為了提高其工作帶寬，借鑒文獻(xiàn)[10,11]的做法，引入了含有漸變結(jié)構(gòu)的五邊形折合環(huán)；天線采用印制電路板（PCB,printed circuit board）工藝實(shí)現(xiàn)。下文將結(jié)合數(shù)值計(jì)算、樣品制作和實(shí)物測(cè)試，對(duì)這種天線進(jìn)行詳細(xì)的研究。

2 天線的基本結(jié)構(gòu)

圖1 天線結(jié)構(gòu)示意圖

天線的基本結(jié)構(gòu)、尺寸參數(shù)和參照坐標(biāo)系如圖1所示。天線的正面采用共面波導(dǎo)饋電，饋線末端帶有矩形貼片狀調(diào)諧枝節(jié)；印制電路板的兩面分別制作了 2個(gè)相同結(jié)構(gòu)的“子環(huán)”，由饋線附近的兩列金屬化過(guò)孔將它們連接成一個(gè)完整的折合環(huán)。可見(jiàn)，與文獻(xiàn)[12,13]類似，天線的整體結(jié)構(gòu)是非常簡(jiǎn)單的。為了方便直接與測(cè)試儀器相連接，饋電共面波導(dǎo)的特性阻抗應(yīng)設(shè)計(jì)為50Ω。

所有天線樣品均制作在相對(duì)介電常數(shù) εr＝2.65、厚度 h=2mm，損耗角正切 tanδ≤0.001的聚四氟乙烯基板上。整個(gè)天線的體積為 110mm×90mm×2mm，最終制作的天線實(shí)物正、反面結(jié)構(gòu)如圖2所示，具體的尺寸參數(shù)如表1所示。

圖2 天線實(shí)物圖

表1 天線具體尺寸參數(shù)

3 天線的參數(shù)分析

采用商用軟件IE3D對(duì)該天線進(jìn)行了分析計(jì)算，研究了某些尺寸參數(shù)對(duì)天線輸入反射性能的影響。設(shè)計(jì)過(guò)程中，發(fā)現(xiàn)影響天線輸入特性的敏感參數(shù)包括g、Ws和Ls。因此，下面將對(duì)這幾個(gè)參數(shù)進(jìn)行詳細(xì)的數(shù)值模擬與分析。以表1中的數(shù)值作為基準(zhǔn)參數(shù)，為了不使變動(dòng)過(guò)于劇烈，每次只變動(dòng)其中一個(gè)參數(shù)而保持其他參數(shù)不變，而且參數(shù)的變動(dòng)都限制在一個(gè)較小的范圍內(nèi)。這些參數(shù)分析將為天線的設(shè)計(jì)提供依據(jù)。

首先研究饋電枝節(jié)與環(huán)底部邊緣之間的饋電縫隙g對(duì)阻抗帶寬的影響。圖3給出了 g分別取1.5mm、2.5mm和3.5mm時(shí)計(jì)算的反射特性曲線?？梢?jiàn) g的輕微變動(dòng)對(duì)天線的阻抗帶寬影響極大：g較小時(shí)，低頻的反射特性較差，高頻的反射特性變化較平緩；g較大時(shí)，中頻的反射特性變差，低頻、高頻的反射特性都有所改善；當(dāng)g的取值為2.5mm時(shí)，全頻帶內(nèi)的反射系數(shù)分布比較均勻，表明此時(shí)調(diào)諧枝節(jié)與折合環(huán)之間的耦合達(dá)到臨界狀態(tài)，使得諧振頻點(diǎn)之間的耦合達(dá)到最佳，因此阻抗特性比較平緩均勻、帶寬最寬。因此，為了控制調(diào)諧枝節(jié)與折合環(huán)之間的耦合程度，必須仔細(xì)調(diào)整饋電縫隙 g的數(shù)值。

圖3 天線反射特性隨g的變化曲線

第二個(gè)需要研究的參數(shù)是調(diào)諧枝節(jié)的寬度Ws。圖4給出了所有其他參數(shù)不變，Ws分別取40mm、41mm和 42mm的情況下計(jì)算所得的反射特性曲線。由結(jié)果可見(jiàn)，Ws的變化敏感程度不如g，主要影響高頻諧振點(diǎn)的耦合程度。

圖4 天線反射特性隨Ws的變化曲線

第三個(gè)研究的參數(shù)是調(diào)諧枝節(jié)的長(zhǎng)度Ls。圖5給出了Ls分別取35mm、36mm和37mm時(shí)算得的反射特性曲線。由結(jié)果可見(jiàn)，Ls主要影響中低頻率諧振點(diǎn)的特性，其變化敏感程度也不如g。

圖5 天線反射特性隨Ls的變化曲線

綜合上述分析的結(jié)果，可知參數(shù)g的敏感程度最高，因此，設(shè)計(jì)、加工時(shí)需要特別注意控制該參數(shù)的誤差范圍。其他參數(shù)的影響應(yīng)該綜合考慮，折衷選取，以使天線的工作帶寬達(dá)到最大。

4 實(shí)驗(yàn)研究結(jié)果

在數(shù)值計(jì)算的基礎(chǔ)上不難發(fā)現(xiàn)，由于天線的尺寸參數(shù)較多，因此必須在理論計(jì)算的基礎(chǔ)上進(jìn)行樣品加工和實(shí)驗(yàn)研究，才能確定天線的真實(shí)性能。

天線的輸入特性采用安捷倫公司的8720ET矢量網(wǎng)絡(luò)分析儀進(jìn)行測(cè)量。圖6所示的是實(shí)測(cè)反射系數(shù)與計(jì)算結(jié)果的比較。可見(jiàn)天線的阻抗帶寬（按反射系數(shù)低于-10dB計(jì)）為0.81～3.85GHz，達(dá)到4.75:1，即相對(duì)帶寬超過(guò)130%；相比之下，文獻(xiàn)[12,13]中的折合環(huán)天線僅有50%左右的相對(duì)帶寬?？梢?jiàn)這種新型天線確實(shí)較一般的折合環(huán)天線具有更寬的阻抗帶寬，而且其饋電結(jié)構(gòu)很簡(jiǎn)單，便于集成，不需要如同文獻(xiàn)[13]中的天線那樣采用平衡器進(jìn)行饋電。

圖6 實(shí)測(cè)與計(jì)算的反射系數(shù)

圖7 實(shí)測(cè)的天線方向圖

為了進(jìn)一步確定天線的輻射帶寬，還需要對(duì)天線的輻射方向圖和增益特性進(jìn)行測(cè)量。天線的輻射特性在微波暗室中完成。圖7給出了天線的2個(gè)工作面（zx面和zy面）在1 800MHz和3 600MHz 2個(gè)頻率上的實(shí)測(cè)方向圖。

從實(shí)測(cè)結(jié)果可見(jiàn)，在整個(gè)工作頻帶內(nèi)，天線呈現(xiàn)穩(wěn)定的全向輻射特性。隨著工作頻率的增加，zx面（水平面）的交叉極化電平增加，但主瓣內(nèi)的交叉極化電平仍然不高；zy面（俯仰面）的主極化方向圖呈余弦規(guī)律，交叉極化電平很低；隨著頻率提高，由于zx面的交叉極化變大，zy面方向圖出現(xiàn)輕微的上翹，最大增益偏離視軸（+z方向，對(duì)應(yīng)圖7中的0°方向）約20°左右，但波動(dòng)不超過(guò)2dB。可見(jiàn)，天線的輻射方向圖非常穩(wěn)定，可認(rèn)為其方向圖帶寬等于其阻抗帶寬。

最后，利用IE3D軟件和標(biāo)準(zhǔn)增益喇叭對(duì)天線在視軸（+z軸）方向的增益頻率特性分布進(jìn)行了計(jì)算和測(cè)量。表2中給出了6個(gè)頻點(diǎn)上的計(jì)算與測(cè)試數(shù)值。通過(guò)兩者的比較，可見(jiàn)吻合良好，整個(gè)頻帶內(nèi)，天線視軸方向的增益保持在3.5dBi左右，平均波動(dòng)不超過(guò)3dB，其增益特性與方向圖特性一樣具有寬帶特性。由此可知，天線的輻射帶寬（方向圖帶寬、增益帶寬）等于其阻抗帶寬，因此確實(shí)是一種性能優(yōu)良的超寬帶天線。

表2 計(jì)算與測(cè)量的視軸增益（dBi）

5 結(jié)束語(yǔ)

首先提出了一種新型超寬帶折合環(huán)天線的設(shè)計(jì)思想，然后通過(guò)充分的數(shù)值模擬和實(shí)驗(yàn)研究，確定了其實(shí)際性能。結(jié)果表明這種天線具有超過(guò)130%的相對(duì)帶寬，遠(yuǎn)遠(yuǎn)高于現(xiàn)有文獻(xiàn)中報(bào)道的50%，表明其工作特性有了顯著的提高。由于這種新型天線的結(jié)構(gòu)非常簡(jiǎn)單，性能良好，制作工藝簡(jiǎn)單，成本低廉，能覆蓋現(xiàn)有的整個(gè)移動(dòng)通信頻段，有望用作移動(dòng)通信室內(nèi)分布系統(tǒng)的全向收發(fā)天線，具有較大的實(shí)際價(jià)值。

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