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(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)。