李峰　魏亮　劉永霞

摘 要： 設(shè)計了一種采用感性加載方式的工作于0.8～2.5 GHz的寬頻帶GSM/3G/WIFI單極子天線，通過仿真和實際測試發(fā)現(xiàn)這種加載方式在實現(xiàn)了良好阻抗匹配的情況下對天線方向圖無明顯影響。該天線具有全頻段內(nèi)增益高，方向圖良好，阻抗頻帶寬的特點，由于采用了感性加載的阻抗匹配方式，實現(xiàn)了直流接地雷電防護(hù)功能，非常適合安裝于機(jī)載環(huán)境。

關(guān)鍵詞： 電感加載； 單極天線； 寬頻帶天線； 機(jī)載天線

中圖分類號： TN925?34 文獻(xiàn)標(biāo)識碼： A 文章編號： 1004?373X（2014）09?0070?03

0 引 言

機(jī)載天線通常要求具有小的尺寸、輕的重量和良好的氣動性能。平面印刷單極天線因其結(jié)構(gòu)簡單、尺寸小、易于設(shè)計和制造、方向圖在阻抗頻帶內(nèi)變化小，是機(jī)載天線最常用的結(jié)構(gòu)形式[1?4]。單極結(jié)構(gòu)的機(jī)載天線安裝于機(jī)身外表面時，機(jī)身蒙皮成為單極天線的地，可以為單極天線提供良好的性能。

通常情況下，[14]波長的單極天線是窄帶的，天線阻抗帶寬在1%～5%之間[5]。但單極天線可以通過多種技術(shù)實現(xiàn)寬頻帶乃至超寬頻帶工作。這些技術(shù)包括增加單極天線尺寸、接地、改變平面單極天線切角、叉形饋電[6]、使用匹配網(wǎng)絡(luò)等。通常所使用的增加單極天線帶寬的方法是上述方法的綜合。

1 天線設(shè)計

該天線的結(jié)構(gòu)示意圖如圖1所示。

如圖1所示帶張角的平面單極天線的輸入阻抗（單位：Ω）為：

[Zin=60ln[cot（θ4）]]

式中[θ]為天線張角的度數(shù)。但上式僅對天線長度為無限長時準(zhǔn)確。對長度受限的帶張角平面單級天線，天線阻抗帶寬與天線長度有關(guān)。

圖1 寬頻帶刀形單極子天線結(jié)構(gòu)圖

該天線工作在0.8～2.5 GHz，最低工作頻率0.8 GHz時對應(yīng)[14]波長（單位：m）為：

[λ4=3×1084×0.8×109≈0.09]

為確保天線在工作頻率低端的增益，天線高度定為9 cm。天線寬度[w]及張角[θ]由仿真進(jìn)行參數(shù)分析得出。經(jīng)仿真優(yōu)化，確定天線參數(shù)如下：[w=]41 mm，[y=]52 mm，天線張角[θ=110°。]

此時天線在絕大多數(shù)工作頻段電壓駐波比小于2，但仍然無法在整個工作頻段上使天線電壓駐波比小于2。因此采用電感加載方式實現(xiàn)天線阻抗帶寬的進(jìn)一步擴(kuò)展，考慮到天線承受功率的要求，加入的電感為2 μH空心電感。此時由仿真得到的天線電壓駐波比如圖2所示。由圖2可以看出，天線全頻段電壓駐波比小于1.8，滿足技術(shù)指標(biāo)要求?？梢姴捎秒姼屑虞d方式可以非常有效地擴(kuò)展平面單極天線的阻抗帶寬。針對實際應(yīng)用而言，空心電感加載型天線使天線輻射體實現(xiàn)了可靠的直流接地，從而具有雷電防護(hù)功能，非常適合應(yīng)用于機(jī)載環(huán)境。

圖2 天線電壓駐波比

由仿真得到的天線增益及方向圖如圖3～圖5所示，天線水平面最低增益大于-1 dB?？梢钥闯?，天線采用感性加載對方向圖無明顯的影響，天線水平面方向圖仍然為全向。

圖3 0.85 GHz增益及方向圖

圖4 1.9 GHz增益及方向圖

圖5 2.4 GHz增益及方向圖

為使天線具備安裝于飛機(jī)上的良好的環(huán)境適應(yīng)性，天線罩采用帶有良好氣動外形的玻璃鋼制成，天線實物圖如圖6所示。

圖6 天線實物圖

2 實測結(jié)果

在微波暗室內(nèi)實測天線方向圖如圖7～圖9所示，測試坐標(biāo)定義如圖10所示。

圖7 0.85 GHz方向圖

圖8 1.9 GHz方向圖

圖9 2.4 GHz方向圖

圖10 坐標(biāo)定義

可以看出，新型天線方向圖良好，水平面為無方向性。在2.4 GHz天線方向圖出現(xiàn)多個副瓣，這主要是由天線電長度增加后引起的反向電流造成，但天線主瓣仍然具有良好的增益和水平面無方向性。

實測天線電壓駐波比如圖11所示，可以看出天線在0.8～2.5 GHz電壓駐波比小于1.8，全頻段內(nèi)阻抗匹配良好。

3 結(jié) 論

本文通過仿真和實際測試，設(shè)計出了一種采用感性加載方式的工作于0.8～2.5 GHz的寬頻帶GSM/3G/WIFI單極子天線，這種加載方式實現(xiàn)了天線在工作頻帶內(nèi)的良好阻抗匹配，且對天線方向圖未帶來明顯的不良影響。該天線具有全頻段內(nèi)增益高，方向圖良好，阻抗頻帶寬的特點，由于采用了感性加載的阻抗匹配方式，實現(xiàn)了直流接地雷電防護(hù)功能，非常適合安裝于機(jī)載環(huán)境，具有良好的應(yīng)用前景。

圖11 天線電壓駐波比測試結(jié)果

參考文獻(xiàn)

[1] ORTMAN G J. Antenna engineering handbook [M]. New York： McGraw?Hill， 2007.

[2] ELDEK A A. Numerical analysis of a small ultra?wideband microstrip?fed tap monopole antenna [J]. Progress in Electromagnetics Research， 2006， 65：59?69.

[3] SADAT S， FARDIS M， GERAN F， et al. A compact microstrip square?ring slot antenna for UWB application [C]// Proceedings of IEEE Antennas and Propagation Society International Symposium. Albuquerque， NM： IEEE， 2006： 4629?4632.

[4] AMMANN M J. Square planar monopole antenna [C]// Proceedings of Insternational Elect Eng Nat Conference on Antennas Propag. UK： [s.n.]，1999： 37?40.

[5] 王元坤.線天線的寬頻帶技術(shù)[M].西安：西安電子科技大學(xué)出版社，1995.

[6] ANTONINO?DAVIU E， CABEDO?FABRES M， FERRANDO?BATALLER M， et al. Wideband double?fed planar monopole antennas [J]. Electron Letters， 2003， 39： 1635?1636.

摘 要： 設(shè)計了一種采用感性加載方式的工作于0.8～2.5 GHz的寬頻帶GSM/3G/WIFI單極子天線，通過仿真和實際測試發(fā)現(xiàn)這種加載方式在實現(xiàn)了良好阻抗匹配的情況下對天線方向圖無明顯影響。該天線具有全頻段內(nèi)增益高，方向圖良好，阻抗頻帶寬的特點，由于采用了感性加載的阻抗匹配方式，實現(xiàn)了直流接地雷電防護(hù)功能，非常適合安裝于機(jī)載環(huán)境。

關(guān)鍵詞： 電感加載； 單極天線； 寬頻帶天線； 機(jī)載天線

中圖分類號： TN925?34 文獻(xiàn)標(biāo)識碼： A 文章編號： 1004?373X（2014）09?0070?03

0 引 言

機(jī)載天線通常要求具有小的尺寸、輕的重量和良好的氣動性能。平面印刷單極天線因其結(jié)構(gòu)簡單、尺寸小、易于設(shè)計和制造、方向圖在阻抗頻帶內(nèi)變化小，是機(jī)載天線最常用的結(jié)構(gòu)形式[1?4]。單極結(jié)構(gòu)的機(jī)載天線安裝于機(jī)身外表面時，機(jī)身蒙皮成為單極天線的地，可以為單極天線提供良好的性能。

通常情況下，[14]波長的單極天線是窄帶的，天線阻抗帶寬在1%～5%之間[5]。但單極天線可以通過多種技術(shù)實現(xiàn)寬頻帶乃至超寬頻帶工作。這些技術(shù)包括增加單極天線尺寸、接地、改變平面單極天線切角、叉形饋電[6]、使用匹配網(wǎng)絡(luò)等。通常所使用的增加單極天線帶寬的方法是上述方法的綜合。

1 天線設(shè)計

該天線的結(jié)構(gòu)示意圖如圖1所示。

如圖1所示帶張角的平面單極天線的輸入阻抗（單位：Ω）為：

[Zin=60ln[cot（θ4）]]

式中[θ]為天線張角的度數(shù)。但上式僅對天線長度為無限長時準(zhǔn)確。對長度受限的帶張角平面單級天線，天線阻抗帶寬與天線長度有關(guān)。

圖1 寬頻帶刀形單極子天線結(jié)構(gòu)圖

該天線工作在0.8～2.5 GHz，最低工作頻率0.8 GHz時對應(yīng)[14]波長（單位：m）為：

[λ4=3×1084×0.8×109≈0.09]

為確保天線在工作頻率低端的增益，天線高度定為9 cm。天線寬度[w]及張角[θ]由仿真進(jìn)行參數(shù)分析得出。經(jīng)仿真優(yōu)化，確定天線參數(shù)如下：[w=]41 mm，[y=]52 mm，天線張角[θ=110°。]

此時天線在絕大多數(shù)工作頻段電壓駐波比小于2，但仍然無法在整個工作頻段上使天線電壓駐波比小于2。因此采用電感加載方式實現(xiàn)天線阻抗帶寬的進(jìn)一步擴(kuò)展，考慮到天線承受功率的要求，加入的電感為2 μH空心電感。此時由仿真得到的天線電壓駐波比如圖2所示。由圖2可以看出，天線全頻段電壓駐波比小于1.8，滿足技術(shù)指標(biāo)要求?？梢姴捎秒姼屑虞d方式可以非常有效地擴(kuò)展平面單極天線的阻抗帶寬。針對實際應(yīng)用而言，空心電感加載型天線使天線輻射體實現(xiàn)了可靠的直流接地，從而具有雷電防護(hù)功能，非常適合應(yīng)用于機(jī)載環(huán)境。

圖2 天線電壓駐波比

由仿真得到的天線增益及方向圖如圖3～圖5所示，天線水平面最低增益大于-1 dB?？梢钥闯?，天線采用感性加載對方向圖無明顯的影響，天線水平面方向圖仍然為全向。

圖3 0.85 GHz增益及方向圖

圖4 1.9 GHz增益及方向圖

圖5 2.4 GHz增益及方向圖

為使天線具備安裝于飛機(jī)上的良好的環(huán)境適應(yīng)性，天線罩采用帶有良好氣動外形的玻璃鋼制成，天線實物圖如圖6所示。

圖6 天線實物圖

2 實測結(jié)果

在微波暗室內(nèi)實測天線方向圖如圖7～圖9所示，測試坐標(biāo)定義如圖10所示。

圖7 0.85 GHz方向圖

圖8 1.9 GHz方向圖

圖9 2.4 GHz方向圖

圖10 坐標(biāo)定義

可以看出，新型天線方向圖良好，水平面為無方向性。在2.4 GHz天線方向圖出現(xiàn)多個副瓣，這主要是由天線電長度增加后引起的反向電流造成，但天線主瓣仍然具有良好的增益和水平面無方向性。

實測天線電壓駐波比如圖11所示，可以看出天線在0.8～2.5 GHz電壓駐波比小于1.8，全頻段內(nèi)阻抗匹配良好。

3 結(jié) 論

本文通過仿真和實際測試，設(shè)計出了一種采用感性加載方式的工作于0.8～2.5 GHz的寬頻帶GSM/3G/WIFI單極子天線，這種加載方式實現(xiàn)了天線在工作頻帶內(nèi)的良好阻抗匹配，且對天線方向圖未帶來明顯的不良影響。該天線具有全頻段內(nèi)增益高，方向圖良好，阻抗頻帶寬的特點，由于采用了感性加載的阻抗匹配方式，實現(xiàn)了直流接地雷電防護(hù)功能，非常適合安裝于機(jī)載環(huán)境，具有良好的應(yīng)用前景。

圖11 天線電壓駐波比測試結(jié)果

參考文獻(xiàn)

[1] ORTMAN G J. Antenna engineering handbook [M]. New York： McGraw?Hill， 2007.

[2] ELDEK A A. Numerical analysis of a small ultra?wideband microstrip?fed tap monopole antenna [J]. Progress in Electromagnetics Research， 2006， 65：59?69.

[3] SADAT S， FARDIS M， GERAN F， et al. A compact microstrip square?ring slot antenna for UWB application [C]// Proceedings of IEEE Antennas and Propagation Society International Symposium. Albuquerque， NM： IEEE， 2006： 4629?4632.

[4] AMMANN M J. Square planar monopole antenna [C]// Proceedings of Insternational Elect Eng Nat Conference on Antennas Propag. UK： [s.n.]，1999： 37?40.

[5] 王元坤.線天線的寬頻帶技術(shù)[M].西安：西安電子科技大學(xué)出版社，1995.

[6] ANTONINO?DAVIU E， CABEDO?FABRES M， FERRANDO?BATALLER M， et al. Wideband double?fed planar monopole antennas [J]. Electron Letters， 2003， 39： 1635?1636.

摘 要： 設(shè)計了一種采用感性加載方式的工作于0.8～2.5 GHz的寬頻帶GSM/3G/WIFI單極子天線，通過仿真和實際測試發(fā)現(xiàn)這種加載方式在實現(xiàn)了良好阻抗匹配的情況下對天線方向圖無明顯影響。該天線具有全頻段內(nèi)增益高，方向圖良好，阻抗頻帶寬的特點，由于采用了感性加載的阻抗匹配方式，實現(xiàn)了直流接地雷電防護(hù)功能，非常適合安裝于機(jī)載環(huán)境。

關(guān)鍵詞： 電感加載； 單極天線； 寬頻帶天線； 機(jī)載天線

中圖分類號： TN925?34 文獻(xiàn)標(biāo)識碼： A 文章編號： 1004?373X（2014）09?0070?03

0 引 言

機(jī)載天線通常要求具有小的尺寸、輕的重量和良好的氣動性能。平面印刷單極天線因其結(jié)構(gòu)簡單、尺寸小、易于設(shè)計和制造、方向圖在阻抗頻帶內(nèi)變化小，是機(jī)載天線最常用的結(jié)構(gòu)形式[1?4]。單極結(jié)構(gòu)的機(jī)載天線安裝于機(jī)身外表面時，機(jī)身蒙皮成為單極天線的地，可以為單極天線提供良好的性能。

通常情況下，[14]波長的單極天線是窄帶的，天線阻抗帶寬在1%～5%之間[5]。但單極天線可以通過多種技術(shù)實現(xiàn)寬頻帶乃至超寬頻帶工作。這些技術(shù)包括增加單極天線尺寸、接地、改變平面單極天線切角、叉形饋電[6]、使用匹配網(wǎng)絡(luò)等。通常所使用的增加單極天線帶寬的方法是上述方法的綜合。

1 天線設(shè)計

該天線的結(jié)構(gòu)示意圖如圖1所示。

如圖1所示帶張角的平面單極天線的輸入阻抗（單位：Ω）為：

[Zin=60ln[cot（θ4）]]

式中[θ]為天線張角的度數(shù)。但上式僅對天線長度為無限長時準(zhǔn)確。對長度受限的帶張角平面單級天線，天線阻抗帶寬與天線長度有關(guān)。

圖1 寬頻帶刀形單極子天線結(jié)構(gòu)圖

該天線工作在0.8～2.5 GHz，最低工作頻率0.8 GHz時對應(yīng)[14]波長（單位：m）為：

[λ4=3×1084×0.8×109≈0.09]

為確保天線在工作頻率低端的增益，天線高度定為9 cm。天線寬度[w]及張角[θ]由仿真進(jìn)行參數(shù)分析得出。經(jīng)仿真優(yōu)化，確定天線參數(shù)如下：[w=]41 mm，[y=]52 mm，天線張角[θ=110°。]

此時天線在絕大多數(shù)工作頻段電壓駐波比小于2，但仍然無法在整個工作頻段上使天線電壓駐波比小于2。因此采用電感加載方式實現(xiàn)天線阻抗帶寬的進(jìn)一步擴(kuò)展，考慮到天線承受功率的要求，加入的電感為2 μH空心電感。此時由仿真得到的天線電壓駐波比如圖2所示。由圖2可以看出，天線全頻段電壓駐波比小于1.8，滿足技術(shù)指標(biāo)要求。可見采用電感加載方式可以非常有效地擴(kuò)展平面單極天線的阻抗帶寬。針對實際應(yīng)用而言，空心電感加載型天線使天線輻射體實現(xiàn)了可靠的直流接地，從而具有雷電防護(hù)功能，非常適合應(yīng)用于機(jī)載環(huán)境。

圖2 天線電壓駐波比

由仿真得到的天線增益及方向圖如圖3～圖5所示，天線水平面最低增益大于-1 dB?？梢钥闯?，天線采用感性加載對方向圖無明顯的影響，天線水平面方向圖仍然為全向。

圖3 0.85 GHz增益及方向圖

圖4 1.9 GHz增益及方向圖

圖5 2.4 GHz增益及方向圖

為使天線具備安裝于飛機(jī)上的良好的環(huán)境適應(yīng)性，天線罩采用帶有良好氣動外形的玻璃鋼制成，天線實物圖如圖6所示。

圖6 天線實物圖

2 實測結(jié)果

在微波暗室內(nèi)實測天線方向圖如圖7～圖9所示，測試坐標(biāo)定義如圖10所示。

圖7 0.85 GHz方向圖

圖8 1.9 GHz方向圖

圖9 2.4 GHz方向圖

圖10 坐標(biāo)定義

可以看出，新型天線方向圖良好，水平面為無方向性。在2.4 GHz天線方向圖出現(xiàn)多個副瓣，這主要是由天線電長度增加后引起的反向電流造成，但天線主瓣仍然具有良好的增益和水平面無方向性。

實測天線電壓駐波比如圖11所示，可以看出天線在0.8～2.5 GHz電壓駐波比小于1.8，全頻段內(nèi)阻抗匹配良好。

3 結(jié) 論

本文通過仿真和實際測試，設(shè)計出了一種采用感性加載方式的工作于0.8～2.5 GHz的寬頻帶GSM/3G/WIFI單極子天線，這種加載方式實現(xiàn)了天線在工作頻帶內(nèi)的良好阻抗匹配，且對天線方向圖未帶來明顯的不良影響。該天線具有全頻段內(nèi)增益高，方向圖良好，阻抗頻帶寬的特點，由于采用了感性加載的阻抗匹配方式，實現(xiàn)了直流接地雷電防護(hù)功能，非常適合安裝于機(jī)載環(huán)境，具有良好的應(yīng)用前景。

圖11 天線電壓駐波比測試結(jié)果

參考文獻(xiàn)

[1] ORTMAN G J. Antenna engineering handbook [M]. New York： McGraw?Hill， 2007.

[2] ELDEK A A. Numerical analysis of a small ultra?wideband microstrip?fed tap monopole antenna [J]. Progress in Electromagnetics Research， 2006， 65：59?69.

[3] SADAT S， FARDIS M， GERAN F， et al. A compact microstrip square?ring slot antenna for UWB application [C]// Proceedings of IEEE Antennas and Propagation Society International Symposium. Albuquerque， NM： IEEE， 2006： 4629?4632.

[4] AMMANN M J. Square planar monopole antenna [C]// Proceedings of Insternational Elect Eng Nat Conference on Antennas Propag. UK： [s.n.]，1999： 37?40.

[5] 王元坤.線天線的寬頻帶技術(shù)[M].西安：西安電子科技大學(xué)出版社，1995.

[6] ANTONINO?DAVIU E， CABEDO?FABRES M， FERRANDO?BATALLER M， et al. Wideband double?fed planar monopole antennas [J]. Electron Letters， 2003， 39： 1635?1636.