孫鳳林

(中國西南電子技術(shù)研究所，四川成都610036)

0 引言

現(xiàn)代通信電磁環(huán)境日益復(fù)雜，不僅要求高質(zhì)量的傳輸信息，同時還要求增加作用距離，增加保密性和抗干擾能力，這就要求天線在具有寬帶工作特性，定向輻射特性，避免后向散射引起的干擾，同時具有非常小的尺寸便于應(yīng)用到便攜設(shè)備［1］。近年來對UWB天線的研究越來越多，這類天線除了具有超寬帶的特性外，還具有諸多優(yōu)點:尺寸小、結(jié)構(gòu)緊湊，常見的平面單極天線有矩形、圓盤形、橢圓盤形單極天線［2］，但是這些天線的方向圖均類似單極天線，H面為全向，一些增加天線定向性的方法有在天線后增加背腔、反射板或者使用吸波材料等［3］，但是這些方法往往增加天線的尺寸和制作難度，不適合對天線體積重量等重點關(guān)心的應(yīng)用平臺，如個人便攜終端，小型通信平臺等，因此小型化、超寬帶一直是天線工作者努力的方向，前期已在文獻(xiàn)［4］中提出一種小型化的寬帶定向天線的設(shè)計，文中在前期工作的基礎(chǔ)上提出一種體積更小、帶寬更寬的定向天線形式，并制作了實物進(jìn)行了測試驗證。

不同于傳統(tǒng)增加反射板提高方向性的思路，文中提出一種折疊天線地板作為天線反射腔來增加天線方向性的方法，同時利用地板與輻射振子間的加載效應(yīng)，降低天線的高度尺寸。天線輻射單元是一種具有超寬帶特性的半橢圓環(huán)振子，印制在FR4的介質(zhì)板上，通過調(diào)節(jié)輻射振子的參數(shù)可以在很寬的頻帶內(nèi)實現(xiàn)天線的駐波匹配，利用折疊的C型反射腔提高天線的定性輻射特性，文中重點是降低天線的高度尺寸(z軸方向)，另外兩個方向(x，y向)的尺寸可以根據(jù)應(yīng)用需求進(jìn)一步減小，文中利用電磁仿真軟件HFSS對天線的各個設(shè)計參數(shù)進(jìn)行了分析和優(yōu)化，并根據(jù)優(yōu)化結(jié)果制作了天線實物。

1 天線設(shè)計

圖1顯示了該小型化定向天線的幾何結(jié)構(gòu)，天線的印制板材料為FR4，介電常數(shù)4.4，厚度3 mm，半橢圓環(huán)形狀的輻射陣子印制在FR4板材的一側(cè)，圓環(huán)的頂部留一個縫隙，縫隙寬度2 mm，整個介質(zhì)板固定在折疊成字母C型的金屬地板中間，地板的兩個折疊角分別為90°和73°，輻射振子與后反射板的距離為34 mm，天線饋電通過地板底部由阻抗50 Ω SMA射頻連接器進(jìn)行饋電，整個天線的尺寸為120 mm×65 mm×50 mm。天線樣件如圖2所示。

圖1 天線模型示意Fig.1 Geometry of proposedantenna

圖2 天線樣件Fig.2 Photograph of the fabricated antenna

2 天線測試結(jié)果

利用矢量網(wǎng)絡(luò)分析儀(Agilent 5242A)對天線的駐波進(jìn)行了測試，結(jié)果如圖3所示。

圖3 電壓駐波比測試Fig.3 Measured VSWR of the antenna

從圖3可以看出，該天線有很寬的帶寬，頻帶0.8 ～2.0 GHz內(nèi)駐波小于 2，0.7 ～3.85 GHz內(nèi)駐波小于3，而整個天線的高度只有50 mm，相當(dāng)于0.13 λ0(λ0為0.8 GHz時的空氣波長)，同在文獻(xiàn)［3］中所設(shè)計的天線相比，相同高度尺寸下，天線的工作頻段低端從0.9 GHz擴(kuò)展到0.8 GHz。說明了該種天線進(jìn)一步減小了天線的高度尺寸，同時天線的帶寬有了進(jìn)一步的展寬。

為了充分了解該小型化天線的輻射特性，我們在微波暗室中對天線的E面和H面的遠(yuǎn)場方向圖進(jìn) 行 了 測 試，測 試 頻 點 為 0.8 GHz、1.6 GHz、2.4 GHz、3.0 GHz，并同時測試了其交叉極化特性，方向圖已進(jìn)行了歸一化處理，測試結(jié)果分別列與圖4～圖11中。

圖4 H面測試方向圖f=0.8 GHzFig.4 Measured patterns at H － plane f=0.8 GHz

圖5 H面測試方向圖f=1.6 GHzFig.5 Measured pattern at H － plane f=1.6 GHz

圖6 H面測試方向圖f=2.4 GHzFig.6 Measured pattern at H － plane f=2.4 GHz

圖7 H面測試方向圖f=3.0 GHzFig.7 Measured pattern at H － plane f=3.0 GHz

圖8 E面測試方向圖f=0.8 GHzFig.8 Measured pattern at E － plane f=0.8 GHz

圖9 E面測試方向圖f=1.6 GHzFig.9 Measured pattern at E － plane f=1.6 GHz

圖10 E面測試方向圖f=2.4 GHzFig.10 Measured pattern at E － plane f=2.4 GHz

圖11 E面測試方向圖f=3.0 GHzFig.11 Measured pattern at E － plane f=3.0 GHz

圖4～圖11的測試結(jié)果表明該天線具有一定的定向性，H面最大方向在90°方向附近，前后比從低頻(0.8 GHz)時的5 dB，到高頻(2.4 GHz)時已有18 dB，天線的交叉極化隨著頻率的升高，逐漸變差，在高頻段時，甚至出現(xiàn)了超過主極化的情況，主要由于該天線地板較小，輻射體超過天線地板一部分，且由于折疊后的反射腔可以激勵起水平極化的波向外輻射，因此可以通過增加該天線的地板尺寸，同時調(diào)節(jié)反射腔的尺寸等措施進(jìn)一步改善天線的定向性和交叉極化特性。

由于天線輻射體是具有超寬帶特性的半橢圓環(huán)形單極子，但是天線的反射腔體是根據(jù)前后比要求較高的頻段進(jìn)行設(shè)計的，因此天線的定向性具有窄帶特性，雖然研究者可以根據(jù)需要通過優(yōu)化反射腔與輻射體的距離獲得某個特定頻段的良好定向性，但是無法在整個寬頻帶內(nèi)都實現(xiàn)良好定向性，因此文中所設(shè)計的天線適合應(yīng)用于一些在特殊頻段有較高定向要求的通信場合。

3 結(jié)語

文中設(shè)計了一種新型小型寬帶定向天線，利用將寬帶平面單極子天線的地板折疊成字母C的形狀的方法，有效降低了天線的高度尺寸(0.13λ0)，在前期工作的基礎(chǔ)上，進(jìn)一步實現(xiàn)了天線的小型化和帶寬展寬，同時制作了天線樣件，測試結(jié)果驗證了該種天線具有非常寬的駐波帶寬(0.7～3.8 GHz)，VSWR≤3時的帶寬達(dá)到5個倍頻程。天線的方向圖在整個頻段內(nèi)均具有定向輻射特性，但天線的交叉極化也隨頻率升高而升高。

［1］XU Li，SUSAN C H，MIN K Choi，et al.Numerical and Experimental Investigation of an Ultra Wideband Ridged Pyramidal Horn Antenna with Curved Launching Plane for Pulse Radiation［J］.IEEE Antennas and Wireless Propagation Letters，2003，2(01):259－262.

［2］施勝杰，郭輝萍.一種新型超寬帶平面單極天線的設(shè)計［J］.通信技術(shù)，2009，42(01):112 －114.SHI Sheng－jie，GUO Hui－ping.Design of Novel Ultra－ Wideband Planar Monopole Antenna［J］.Communications Technology，2009，42(01):112－114.

［3］YAROVOY A G，PUGLIESE R，ZIJDERVELD J H，et al.Antenna Development for UWB Impulse Radio［C］//34th European Microwave Conference.Amsterdam The Netherlands:Horizon Publications Ltdlondon，2004:1257 －1260.

［4］孫鳳林，梁宇宏，何海丹.一種寬帶定向天線的設(shè)計［J］.微波學(xué)報，2010(s1):170－172.SUN Fen－lin，LIANG Yu－h(huán)ong，HE Hai－dan.Design of a Wideband Directional Antenna［J］.Journal of Microwaves，2010(s1):170 －172.