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        多應(yīng)用環(huán)境下新型微帶偶極子天線設(shè)計與優(yōu)化

        2018-07-27 05:16:28,
        計算機測量與控制 2018年7期
        關(guān)鍵詞:螺旋形駐波比偶極子

        (合肥工業(yè)大學(xué) 信息工程系,安徽 宣城 242000)

        0 引言

        無線電通信技術(shù)發(fā)展至今,已經(jīng)在車載終端、便攜設(shè)備領(lǐng)域中得到了廣泛的應(yīng)用。天線既是無線電通信重要的組成部分,也是影響通信系統(tǒng)性能的重要組件。目前對無線電通信的應(yīng)用仍然局限在寬頻帶和小型化之中,存在偶極子臂細、安全性低、天線走線占用空間大、增益特性差等問題,很難滿足現(xiàn)代科技對通信的要求[1-2]。文獻[3]提出了高功率共面饋電脈沖輻射天線設(shè)計,該天線結(jié)構(gòu)具有體積小的優(yōu)勢,但是在安全性能方面較差,不能滿足通信的基本要求;文獻[4]提出了平行帶狀線饋電的雙面印刷偶極子天線設(shè)計,該天線結(jié)構(gòu)便于集成、組成陣列,但是體積較大,也不能滿足通信的基本要求。

        針對上述問題,提出了多應(yīng)用環(huán)境下螺旋形印刷微帶偶極子天線設(shè)計與優(yōu)化。該結(jié)構(gòu)具有重量輕、體積小、成本低,便于集成、組成陣列,還能克服微帶天線頻帶窄的缺點。利用專業(yè)電磁仿真軟件HFSS對天線特性進行仿真,并得出結(jié)論,螺旋形印刷微帶偶極子天線設(shè)計增加了偶極子臂的粗度,具有良好的安全性能,大大減小了天線走線所占用的空間,增強了增益的特性,具有較好的性能,對于未來的微帶偶極子天線的設(shè)計與優(yōu)化具有一定的參考價值。

        1 多應(yīng)用環(huán)境下新型微帶偶極子天線設(shè)計與優(yōu)化

        1.1 微帶偶極子天線硬件設(shè)計

        微帶偶極子天線工作結(jié)構(gòu)如圖1所示。

        圖1 微帶偶極子天線工作結(jié)構(gòu)圖

        由圖1可知:該天線的結(jié)構(gòu)是由兩根粗細均勻,長度相同的導(dǎo)線組成的,中間為兩個反饋的電端。距離微帶偶極子振子中心z處可以取長度為dz的一個微小電流元段,并將此電流元段分解為多個“元過程”,以此為基礎(chǔ)對微帶偶極子天線的硬件進行初始化設(shè)計。

        1.1.1 初始化設(shè)計

        微帶偶極子天線的初始化設(shè)計是由振子臂、介質(zhì)板以及底部的漸變阻抗變換段和反射板組成的。介質(zhì)板的頂部和底部以及兩側(cè)都是由振子臂包圍的,且利用微帶線進行饋電,其初始化結(jié)構(gòu)如圖2所示。

        圖2 初始化結(jié)構(gòu)

        由圖2可知:初始化的微帶偶極子天線結(jié)構(gòu)設(shè)計在臂的上部和下部比較單薄,安全性極低,為此應(yīng)該對該結(jié)構(gòu)進行優(yōu)化。

        1.1.2 優(yōu)化后的微帶偶極子天線結(jié)構(gòu)

        優(yōu)化后的天線結(jié)構(gòu)如圖3所示。

        圖3 優(yōu)化后的天線結(jié)構(gòu)俯視圖

        由圖3可知,優(yōu)化后的天線結(jié)構(gòu)在圖2的基礎(chǔ)上,添加了寄生貼片,并在上下貼片的表面進行穿孔,通過金屬進行連接,這無疑是增加了偶極子臂的粗度。

        介質(zhì)板中介質(zhì)層的材質(zhì)是由介電常數(shù)為ε=4.4的環(huán)氧樹脂玻璃纖維板組成的,并采用了雙面敷銅結(jié)構(gòu)組成了天線的兩個臂端,且利用微帶線進行饋電[5]。數(shù)據(jù)信號流經(jīng)過天線的饋電位置導(dǎo)入,并經(jīng)過微帶巴倫的整體結(jié)構(gòu)傳輸?shù)脚紭O子天線的兩個臂端。而在微電的傳輸線路上,電流的方向是相反的,不可能接收到輻射的電磁波。半波偶極子天線的長度是偶極子天線兩個臂端長度的一般,且該天線的設(shè)計呈現(xiàn)的是一個對稱的結(jié)構(gòu),在傳輸?shù)木€路上,反饋的電流也必須是對稱的。該結(jié)構(gòu)與底座連接時,需要使用一個轉(zhuǎn)換的結(jié)構(gòu),從電流的不穩(wěn)定到穩(wěn)定;從阻抗的角度分析,該天線結(jié)構(gòu)需要設(shè)置一個電阻并且阻值為82.1歐姆,反饋端口電阻的阻抗為50歐姆,并且使用微帶巴倫來實現(xiàn)電阻阻抗的匹配。將微帶天線技術(shù)與對稱振子天線的屬性相結(jié)合,能夠提高該系統(tǒng)的安全性能。

        1.1.3 螺旋形印刷天線結(jié)構(gòu)

        基于上述優(yōu)化后的天線結(jié)構(gòu),提出了一種螺旋形印刷天線結(jié)構(gòu),如圖4所示。

        圖4 螺旋形印刷天線結(jié)構(gòu)框圖

        由圖4可知:該結(jié)構(gòu)將基片的頂部和底部利用微帶線纏繞成類似螺旋天線的一種結(jié)構(gòu)形式。該結(jié)構(gòu)中上下走線采用的是0.2 mm的銅孔來連接的,這種連接的方式能夠增加電流路徑的長度,還能節(jié)省天線走線所占用的空間。螺旋形印刷天線結(jié)構(gòu)采用兩層的方式能夠有效的增加天線的物理長度,還能減少天線走線所占用的面積,位于中間位置的介質(zhì)基片不但能夠抑制不同天線層的電磁干擾,還能抑制不同走向電流之間的增益衰減[6-7]。螺旋形印刷天線結(jié)構(gòu)既擁有傳統(tǒng)天線結(jié)構(gòu)的安全性,又擁有較高的增益特性,是一種在多應(yīng)用環(huán)境下最適用的天線結(jié)構(gòu)。

        1.2 微帶偶極子天線軟件設(shè)計

        1.2.1 微帶偶極子天線軟件設(shè)計原理

        微帶偶極子天線工作原理是以元過程為基礎(chǔ),并采用物理或數(shù)學(xué)的分析方法化解問題,該方法也被稱為微元法[8],利用微元法可以計算距離較遠的輻射區(qū)場,其數(shù)值為:

        (1)

        1.2.2 對稱偶極振子方向設(shè)計

        對稱偶極振子方向函數(shù)的計算以波腹電流歸算為基礎(chǔ)[9-10],其公式如(2)所示:

        (2)

        對稱偶極振子在軸向上沒有輻射,輻射與微帶偶極子天線單臂長度s有關(guān),當(dāng)s的長度小于等于0.5λ的時候,對稱偶極振子所經(jīng)過的電流是相同的,在電流相同的情況下,參與輻射電流元就會增加,當(dāng)a=90°時,該方向上的輻射強度就會增加,電波的寬度就會變窄;當(dāng)s的長度等于0.5λ的時候,對稱偶極振子所經(jīng)過的電流的走向是相反的,這時就會出現(xiàn)副波瓣;當(dāng)s的長度增大為0.7λ的時候,該方向上的輻射就會發(fā)生偏移;當(dāng)s的長度等λ,a=90°的時候,該方向上的輻射強度為0。

        1.2.3 對稱偶極振子阻抗特性的設(shè)計

        由于偶極振子阻抗對輸入電流的異常敏感,導(dǎo)致了實際的電流分布情況與理論中的分布情況有一定的差別,具體表現(xiàn)在輸入端和波節(jié)處。傳統(tǒng)系統(tǒng)在計算輸入阻抗的時候,一般采用的是等值的傳輸方法。

        對稱偶極振子的平均阻抗為:

        (3)

        公式(3)中:R為偶極振子的阻抗;s為微帶偶極子天線的單臂長度;r為球面半徑;dz為一個微小電流元段;r′為振子半徑。

        對稱偶極振子的輸入阻抗為:

        (4)

        公式(4)中:Rin為對稱偶極振子輸入阻抗;s為微帶偶極子天線的單臂長度;g為衰減常數(shù);h為相移常數(shù);

        由公式(4)可知,對稱偶極振子越粗,對稱偶極振子平均阻抗R就越;對稱偶極振子的輸入阻抗會隨著微帶偶極子天線的單臂長度s的變化而越發(fā)的平緩,這樣有利于改善頻帶寬度,使之更適用于多應(yīng)用環(huán)境下的新型微帶偶極子天線結(jié)構(gòu)。

        1.2.4 天線結(jié)構(gòu)參數(shù)優(yōu)化

        該系統(tǒng)設(shè)計的中心頻率為3.25 GHz,如果傳播介質(zhì)為自由的空間,那么該天線結(jié)構(gòu)所對應(yīng)的工作波長為112 mm左右,偶極子天線兩臂加一起的長度為56 mm左右;如果傳播介質(zhì)為全部填充的FR-4等級材料,那么該天線結(jié)構(gòu)所對應(yīng)的工作波長為60 mm左右,偶極子天線兩臂加一起的長度為30 mm左右。本文提出的螺旋形印刷天線結(jié)構(gòu)既包括自由空間,又包括介質(zhì),因此該天線兩臂加一起的長度應(yīng)為30 mm-56 mm左右,而螺旋形印刷天線兩臂加一起的長度應(yīng)取兩者的平均值43 mm,且輸出的長度為20 mm,微帶巴倫結(jié)構(gòu)中兩個直角邊的長度分別為9 mm和11 mm,傳輸線的寬度為4 mm。

        由于螺旋形印刷天線呈現(xiàn)的是彎折的狀態(tài),因此其實際各位置的尺寸要大于理論尺寸,初始尺寸設(shè)定如表1所示。

        表1 螺旋形印刷天線初始尺寸

        1)基層高度對諧振頻率的影響。

        保持天線其它參數(shù)不變,根據(jù)參數(shù)掃描功能,基層高度分別為15 mm、14 mm、13 mm的時候,天線諧振頻率分別為539 MHz、587 MHz、621 MHz,由此可以得出結(jié)論:隨著基層高度的降低,其諧振的頻率變大。

        2)基層寬度對諧振頻率的影響。

        保持天線其它參數(shù)不變,根據(jù)參數(shù)掃描功能,基層寬度分別為3 mm、2.8 mm、2.1 mm的時候,天線諧振頻率分別為565 MHz、592 MHz、640 MHz,由此可以得出結(jié)論:隨著基層寬度的降低,其諧振的頻率變大。

        3)連接兩孔之間距離對諧振頻率的影響。

        保持天線其它參數(shù)不變,根據(jù)參數(shù)掃描功能,連接兩孔之間距離分別為

        1.2 mm、0.8 mm、0.6 mm的時候,天線諧振頻率分別為623 MHz、610 MHz、592 MHz,由此可以得出結(jié)論:隨著連接兩孔之間距離的減小,其諧振的頻率也變小。

        由此可以得出天線結(jié)構(gòu)最優(yōu)參數(shù)尺寸如表2所示。

        表2 螺旋形印刷天線結(jié)構(gòu)最優(yōu)參數(shù)尺寸

        2 實驗結(jié)果與分析

        為了驗證多應(yīng)用環(huán)境下新型微帶偶極子天線設(shè)計與優(yōu)化的合理性,進行了仿真對比實驗,其實驗過程如下所示:

        1)采用的是HFSS11軟件建立模型,設(shè)置實驗環(huán)境與參數(shù)。

        2)回波損耗分析與結(jié)果以滿足通信要求。

        3)駐波比分析與結(jié)果以滿足通信要求。

        2.1 實驗環(huán)境與參數(shù)設(shè)置

        實驗采用的是HFSS11軟件所建立模型,如圖5所示。

        圖5 天線模型

        采用的是集總端口激勵,頻率設(shè)置為3.12 GHz,掃描頻率為300~400 MHz,掃描類型為快速掃描。

        2.2 回波損耗結(jié)果與分析

        天線結(jié)構(gòu)諧振頻率選取的范圍為320~345 MHz,回波損耗仿真實驗結(jié)果如圖6所示。

        由圖6可知:當(dāng)諧振頻率為320~332 MHz的范圍內(nèi)曲線圖呈現(xiàn)下降趨勢,回波損耗從-1 dB下將到-23 dB;當(dāng)諧振頻率為332~345 MHz的范圍內(nèi)曲線圖呈現(xiàn)上升趨勢,回波損耗從-23 dB上升到-1 dB。由此可以看出,當(dāng)諧振頻率為332 MHz的時候,該點的回波損耗為-23 dB,在331.5~334.9 MHz的有效范圍內(nèi),回波損耗小于-10 dB,滿足通信行業(yè)的標(biāo)準(zhǔn)。

        圖6 回波損耗

        2.3 駐波比結(jié)果與分析

        天線結(jié)構(gòu)諧振頻率選取的范圍為320~345 MHz,駐波比仿真實驗結(jié)果如圖7所示。

        圖7 駐波比

        由圖7可知:當(dāng)諧振頻率為320~332 MHz的范圍內(nèi)曲線圖呈現(xiàn)下降趨勢,駐波比從3.40 dB下將到1.30 dB;當(dāng)諧振頻率為332~345 MHz的范圍內(nèi)曲線圖呈現(xiàn)上升趨勢,但是比較緩慢,駐波比從1.30 dB上升到1.70 dB。由此可以看出,當(dāng)諧振頻率為332 MHz的時候,該點的駐波比為1.30 dB,在331.5~334.9 MHz的有效范圍內(nèi),駐波比小于1.50 dB,滿足通信行業(yè)的標(biāo)準(zhǔn)。

        2.4 實驗結(jié)論

        由上述的實驗過程可以得出結(jié)論:在328~340 MHz的有效范圍內(nèi),駐波比小于1.70 dB;在331.5~334.9 MHz的有效范圍內(nèi),駐波比小于1.50 dB;在330~332 MHz的有效范圍內(nèi),駐波比小于1.30 dB,在331.5~334.9 MHz的有效范圍內(nèi),回波損耗小于-10 dB。在該范圍內(nèi)能夠有效的避免瞬間過高電壓導(dǎo)致射頻末端的損壞,能夠滿足通信的基本要求,增加了偶極子臂的粗度,提高了安全性,大大減小了天線走線所占用的空間,增強了增益的特性。

        3 結(jié)束語

        在多應(yīng)用環(huán)境下利用微帶巴倫的電磁耦合機理,通過融合螺旋天線的結(jié)構(gòu)特點對微帶偶極子天線進行設(shè)計與優(yōu)化,能夠?qū)崿F(xiàn)電磁波在微帶線間的合理耦合,對于未來的微帶偶極子天線的設(shè)計與優(yōu)化具有一定的參考價值,并且充分滿足通信行業(yè)的基本標(biāo)準(zhǔn)。

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