羅海群，李思敏，曹衛(wèi)平

(桂林電子科技大學(xué) 信息與通信工程學(xué)院，廣西 桂林 541004)

0 引言

隨著現(xiàn)代無線和移動通信的發(fā)展，UHF超寬頻帶、多頻段天線一體化設(shè)計是一種趨勢，同時為了方便應(yīng)用，需要天線結(jié)構(gòu)簡單、易于制作、體積小，并盡量覆蓋多的通信頻段。要兼顧上述的性能指標要求，將會使得天線體積過大、加工制作不夠靈活。

目前，主要是基于立體雙錐結(jié)構(gòu)[1]，通過盡量增大雙錐的張角[1-2]，或者套筒結(jié)構(gòu)[3]來實現(xiàn)雙錐天線的超寬帶特性。但是其橫向體積比較大不利于天線體積小型化，且設(shè)計制作不夠靈活，在工程應(yīng)用方面會有所限制。

針對上述存在的問題，采用普通介質(zhì)板在雙錐天線張角較小的情況下，利用介質(zhì)板背面結(jié)構(gòu)設(shè)計天線微帶匹配結(jié)構(gòu)以實現(xiàn)超寬帶特性，同時兼顧天線設(shè)計的簡便靈活性，并具有較小的橫向尺寸。

1 天線設(shè)計

1.1 理論分析

一般天線的輸入阻抗與電長度有密切的關(guān)系。而輸入阻抗隨頻率變化的劇烈程度主要是取決天線的特性阻抗。

無限長雙錐天線是一種寬頻帶天線，這是因為它的輸入阻抗具有頻率不變性，能夠?qū)崿F(xiàn)超寬帶特性。對于有限長雙錐天線，高頻端的特性仍然可以保持，但其低頻輻射性能會降低。天線的長度決定了天線的低端工作頻率，頻帶可以通過增大錐角來展寬[1]。

雙錐天線是超寬帶全向天線的典型代表，無限長雙錐天線上的電流呈純行波狀態(tài)分布，其輸入阻抗呈純電阻特性。天線結(jié)構(gòu)如圖1所示。

圖1 雙錐天線結(jié)構(gòu)

雙錐天線的特性阻抗表示為：

(1)

式中，θ為領(lǐng)結(jié)天線輻射單元的張角；Zc為天線的特性阻抗。

由式(1)可知，雙錐天線的特性阻抗取決于圓錐張角的大小，隨著張角的增大而減小。有關(guān)測量數(shù)據(jù)表明，增大張角可降低特性阻抗的虛部，并且實部隨頻率變化不明顯，這有利于拓展天線的帶寬[4]。

錐角較大的雙錐天線雖然具有很好的寬頻帶特性，但是在工作頻率較低時不易架設(shè)，此時可以采用雙錐天線的一種變形——領(lǐng)結(jié)天線。這種天線具有和雙錐天線相近的電性能，一般張角越大頻帶就越寬，具有重量輕、易架設(shè)的特點。與其他微帶貼片天線相比，領(lǐng)結(jié)天線具有更良好的寬頻帶特性、平面結(jié)構(gòu)以及加工容易等優(yōu)點。但如果張角太大，則會增加天線的橫向尺寸，既不利于領(lǐng)結(jié)天線單元的組陣，也不利于與其他類型天線共軸。

1.2 天線結(jié)構(gòu)設(shè)計

考慮到天線實際應(yīng)用體積尺寸和成本等問題，以及設(shè)計加工制作的簡單、靈活性，天線選用介電常數(shù)為2.55、厚度為1.6 mm的普通FR4介質(zhì)板設(shè)計。天線采用二單元陣列結(jié)構(gòu)，通過設(shè)計優(yōu)化匹配網(wǎng)絡(luò)和功分器拓展帶寬、提高增益，以改善天線的性能。

領(lǐng)結(jié)天線與雙錐偶極子天線具有相似的輻射性能。它的性能主要是由天線的張角θ和臂長H因素來決定的，臂長H能夠決定天線低端特性，其長度與低端頻率相應(yīng)波長的關(guān)系為[5-7]：

(2)

式中，λ為天線低端頻率對應(yīng)的波長；Zc為天線的特性阻抗。

以上述的領(lǐng)結(jié)天線單元為基礎(chǔ)，將2個天線單元共軸放置后組陣，組成如圖2所示的2×1陣列，圖中的過孔都是同軸線饋電點。組陣后寬帶領(lǐng)結(jié)天線主要包含三大單元：天線單元、匹配單元和功分器單元。實際應(yīng)用中為了保證兩單元天線輸入信號的一致性，從功分器2個輸出端口引出的同軸線長度應(yīng)該要等長。這樣能夠有效保證兩單元輸入信號同幅、同相和等時延，以減小對天線遠場的影響。

圖2 天線陣列結(jié)構(gòu)

天線采用平面一體化設(shè)計，輻射體單元、匹配結(jié)構(gòu)和功分器集成在同一介質(zhì)板上，使得天線設(shè)計、制作和調(diào)試相比較而言更簡單快捷。兩單元天線相距離的太遠耦合太小，則對于改善增益不明顯，同時也會增加天線的長度；太近會造成遠場方向圖有分裂，也會對增益改善不明顯，只有合適的距離才能有效提高的天線的增益。對于參數(shù)G以及功分器與天線的間距，在仿真設(shè)計時通過參數(shù)掃描綜合考慮以選取合適的值。

2 天線單元仿真分析

根據(jù)上述設(shè)計分析，建立模型利用ADS和CST聯(lián)合進行相關(guān)仿真與優(yōu)化[8-11]，仿真設(shè)計思路框圖如圖3所示，天線單元匹配前仿真結(jié)果如圖4所示。由圖3和圖4可知，與之前理論分析較為吻合，兼顧低頻段的性能。仿真結(jié)果表明天線在低、高頻段的性能基本滿足要求，匹配設(shè)計主要是改善中間頻段性能。天線在整個中間頻帶內(nèi)的阻抗都相對較大，采用漸變的微帶巴倫結(jié)構(gòu)完成天線與饋線之間的匹配設(shè)計[9-15]。

圖3 仿真設(shè)計流程

由仿真阻抗結(jié)果可知，單元結(jié)構(gòu)在中間頻段阻抗都比較大，需要做降阻抗的匹配結(jié)構(gòu)以完成與同軸饋線的匹配。把單元天線的阻抗Za導(dǎo)出后，代入到ADS仿真平臺進行相關(guān)的設(shè)計仿真與優(yōu)化。

對于功分器，可以快速利用ADS完成相關(guān)仿真與優(yōu)化設(shè)計。經(jīng)過掃描、優(yōu)化設(shè)計后天線結(jié)構(gòu)參數(shù)值如下：θ=20°，L=210.5 mm，L1=120 mm，L2=80 mm，L3=25.5 mm，L4=12 mm，L5=24mm，W=35 mm，W1=32 mm，W3=3.5 mm，W4=2 mm，W5=2.5 mm，H=90 mm，D=0.5 mm，D1=3.2 mm，D2=0.5 mm，G=15 mm。

圖4 匹配前天線單元仿真

3 天線制作測試、調(diào)試

完成對整體天線模型的優(yōu)化改善設(shè)計后，進行實物的制作并測試、調(diào)試，具體駐波測試結(jié)果與仿真對比，如圖5所示。

圖5 天線駐波仿真與實測試對比

在仿真設(shè)計中，天線單元的阻抗等特性在CST中完成，而匹配與功分器部分則通過ADS設(shè)計。即通過把天線單元的阻抗特性導(dǎo)入到ADS，二者聯(lián)合仿真設(shè)計，快速完成微帶匹配和寬帶功分器部分的設(shè)計要求。

從對比結(jié)果可知，駐波仿真與實際測試在中、高頻段存在一定的差異。主要原因可能包括如下因素：

① 仿真使用的理想材料、環(huán)境與實際測試不可避免會存在差異；

② 天線模型仿真和實物測試時饋電位置的不同，導(dǎo)致仿真模型的阻抗與實際天線的端口阻抗有較大差別，從而造成天線實物測試結(jié)果與仿真結(jié)果存在一定的差異；

③ 實際應(yīng)用中一定長度的同軸線饋線，在頻率相對高時也會帶來相應(yīng)的損耗等影響。

4 結(jié)束語

針對UHF頻段超寬帶天線應(yīng)用中存在的體積問題，提出并設(shè)計了一款結(jié)構(gòu)簡單、改進的平面領(lǐng)結(jié)型結(jié)構(gòu)超寬帶天線。天線的主要結(jié)構(gòu)由功分器、領(lǐng)結(jié)型輻射體和匹配網(wǎng)絡(luò)實現(xiàn)一體化設(shè)計。與傳統(tǒng)的立體雙錐天線相比較，該領(lǐng)結(jié)型結(jié)構(gòu)天線充分利用介質(zhì)板背面結(jié)構(gòu)空間設(shè)計匹配網(wǎng)絡(luò)，實現(xiàn)了天線的寬帶、體積小型化，制作簡便、靈活。仿真與實際測試表明，天線具有較好的駐波特性，能夠滿足UHF內(nèi)多頻段移動通信要求，具有一定的工程實用價值。

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