儲(chǔ)建新，龔書能，李名文，劉敏偉，姚 近，王韜樾

(國(guó)網(wǎng)浙江海鹽縣供電有限公司，浙江 海鹽 314300)

0 引 言

230 MHz專網(wǎng)作為電力無(wú)線數(shù)據(jù)的承載介質(zhì)，需要更加安全穩(wěn)定的硬件支撐。在傳統(tǒng)的無(wú)線局域網(wǎng)(Wireless Local Area Network,WLAN)系統(tǒng)中,常見的天線形式有單極子天線、對(duì)稱振子天線和共面波導(dǎo)天線等。單極子天線[1]結(jié)構(gòu)簡(jiǎn)單，有接近全向的輻射方向圖，方向圖性能較好，在通信中被廣泛應(yīng)用，但對(duì)于230 MHz的頻率該桿狀天線尺寸大，不易于安裝與架設(shè)，容易與周邊物體干涉，且由于單極子天線需要反射地板以產(chǎn)生鏡像單元，所以安裝的環(huán)境對(duì)天線輻射性能影響較大。對(duì)稱振子天線由于其良好的輻射特性在通信領(lǐng)域廣泛應(yīng)用，但需要在其兩個(gè)輻射區(qū)產(chǎn)生對(duì)稱的電流分布實(shí)現(xiàn)同向疊加效應(yīng)，所以天線尺寸為對(duì)應(yīng)中心頻率波長(zhǎng)的0.5倍，在230 MHz時(shí)為650 mm，尺寸過(guò)大。共面波導(dǎo)的平面全向天線[2]具有厚度薄平面尺寸小的特點(diǎn)，但共面波導(dǎo)產(chǎn)生波導(dǎo)傳輸效應(yīng)需要較長(zhǎng)的傳輸距離，雖然天線尺寸小，但傳輸結(jié)構(gòu)尺寸大，同樣缺點(diǎn)明顯。還有多種形式的WLAN數(shù)據(jù)傳輸天線[3-6]，通過(guò)輻射體的彎折實(shí)現(xiàn)天線的小型化，但輻射體的彎折會(huì)造成電磁波傳輸中的干擾，其方向圖全向輻射性能較差，需要進(jìn)行相關(guān)改進(jìn)。

本文提出了一種利用倒F天線設(shè)計(jì)該全向輻射天線的思路，天線的輻射體結(jié)構(gòu)為倒F型，通過(guò)金屬化匹配通孔將天線饋電部分轉(zhuǎn)移至天線背部，天線厚度僅1 mm，這樣后續(xù)可以將天線與整個(gè)結(jié)構(gòu)外殼進(jìn)行一體化設(shè)計(jì)，既達(dá)到了天線的小型化又實(shí)現(xiàn)了天線的美化；同時(shí)，通過(guò)調(diào)節(jié)饋電縫和倒F結(jié)構(gòu)尺寸，達(dá)到了良好全向輻射的目的。

1 天線設(shè)計(jì)

1.1 天線結(jié)構(gòu)傳輸模型

倒F天線的小型化是通過(guò)側(cè)邊接地實(shí)現(xiàn)的，所以對(duì)傳統(tǒng)微帶天線的等效傳輸線模型進(jìn)行修正。天線工作在TM01(TM10)模式，圖1為天線的等效電路模型。

圖1 天線電路傳輸模型圖

天線主模工作情況下短路一側(cè)、輻射另一側(cè)的總輸入導(dǎo)納為

通過(guò)上述分析可以計(jì)算出天線需要設(shè)計(jì)的輸入導(dǎo)納Y=Y1+Y2，其中Y0為傳輸線的特性導(dǎo)納,β為傳播常數(shù)。

傳統(tǒng)的倒F天線是通過(guò)微帶天線變形加載實(shí)現(xiàn)的，其為一個(gè)立體的倒置F型結(jié)構(gòu)，故而稱為倒F天線，如圖2所示。

圖2 傳統(tǒng)倒F天線示意圖

天線可看作由饋電桿、支撐桿和輻射桿三部分組成。彎折的形式增加了天線的電長(zhǎng)度，短路片的加載使得天線和底板之間形成了一個(gè)鏡像回路實(shí)現(xiàn)了小尺寸下的諧振。

在此基礎(chǔ)上，對(duì)上述立體形式的天線進(jìn)行平面化設(shè)計(jì)，使得天線可以與非金屬平面貼合，更加提升了天線的可集成性。

1.2 天線整體結(jié)構(gòu)

天線仿真環(huán)境為HFSS v19.2全波電磁仿真，代入目前通用印制板加工工藝參數(shù)，包括介電常數(shù)、損耗角正切和導(dǎo)電率等。

圖3為天線整體結(jié)構(gòu)示意圖，其中紅色為天線輻射體，中間為天線厚度方向，藍(lán)色為天線背部及饋電結(jié)果示意。從圖中可以看出，天線通過(guò)一個(gè)L型的縫隙和鋸齒狀結(jié)構(gòu)調(diào)節(jié)整個(gè)傳輸中的容抗和感抗實(shí)現(xiàn)在230 MHz頻率的諧振。天線印制板采用FR4材料，該材料強(qiáng)度高、成本低、重量輕、便于加工，相對(duì)介電常數(shù)εr=4.4。圖3中各參數(shù)值如表1所示。

圖3 天線整體結(jié)構(gòu)示意圖

表1 天線主要尺寸統(tǒng)計(jì) 單位:mm

從表1可以看出，天線外形尺寸為300 mm×260 mm×1 mm，尺寸較小，尤其在厚度方向?qū)崿F(xiàn)了超薄超輕設(shè)計(jì)。

1.3 天線饋電結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)

天線饋電結(jié)構(gòu)采用反面饋電的方式。常見的倒F天線通常直接在輻射體部分饋電，但如果在輻射體部分饋電會(huì)造成安裝時(shí)需要打穿線孔的情況，所以利用電磁導(dǎo)波的結(jié)構(gòu)將信號(hào)變?yōu)榉聪蝠侂?，這樣后續(xù)可以實(shí)現(xiàn)天線輻射體與外殼的一體化設(shè)計(jì)，只需要使用一根射頻線相連即可。

饋電位置的電流傳輸如圖4所示，從圖中可以看出電流通過(guò)金屬化傳輸結(jié)構(gòu)從反面?zhèn)鬏斨琳鎸?duì)輻射體進(jìn)行了饋電。

(a)正視饋電結(jié)構(gòu)

1.4 天線全波仿真結(jié)果

本文通過(guò)全波電磁仿真對(duì)天線的理想模型進(jìn)行仿真，結(jié)果如圖5～8所示。

圖5 天線輻射體表面電流示意圖(0°、90°、180°、270°一個(gè)周期內(nèi)的電場(chǎng)分布)

圖6 天線駐波仿真圖

圖7 天線三維方向圖仿真結(jié)果

圖8 天線二維方向圖仿真結(jié)果

由仿真結(jié)果可以看出，天線在一個(gè)周期內(nèi)電流形成了諧振回路，整個(gè)228～237 MHz帶內(nèi)電壓駐波比(Voltage Standing Wave Ratio，VSWR)小于2，即輻射出的能量大于90%，阻抗匹配良好；天線輻射呈全向方向圖，增益為0.65 dBi。

2 天線測(cè)試

仿真優(yōu)化結(jié)果，對(duì)該平板天線進(jìn)行了駐波和方向圖測(cè)試，測(cè)試結(jié)果如圖9和圖10所示。

圖9 天線實(shí)物駐波仿真結(jié)果

經(jīng)過(guò)測(cè)試可知天線駐波在整個(gè)228～237 MHz帶內(nèi)電壓駐波比小于2，方向圖電平值在水平面內(nèi)抖動(dòng)較小，實(shí)現(xiàn)了水平全向的覆蓋效果。實(shí)測(cè)結(jié)果與仿真結(jié)果一致，證明該天線性能達(dá)到了預(yù)期的設(shè)計(jì)要求。

3 結(jié) 論

本文通過(guò)對(duì)倒F天線輻射體和饋電結(jié)構(gòu)的改進(jìn)設(shè)計(jì)了一款300 mm×260 mm×1 mm的小型化超薄平面天線，實(shí)現(xiàn)了228～237 MHz、相對(duì)帶寬3.9%的阻抗帶寬和穩(wěn)定的輻射方向圖。對(duì)該天線理想模型進(jìn)行了仿真并加工實(shí)際模型進(jìn)行了測(cè)試，結(jié)果一致性好。

該天線可實(shí)現(xiàn)與230 MHz設(shè)備外殼的一體化設(shè)計(jì)，進(jìn)一步提升整個(gè)系統(tǒng)的集成度和可靠性。