趙之帆，陳 星

(四川大學(xué) 電子信息學(xué)院，四川 成都 610065)

0 引言

短波、超短波通信作為無線電通信的一種方式, 因其具有波長長、傳播和繞射能力強(qiáng)等特點(diǎn), 在遠(yuǎn)距離和復(fù)雜環(huán)境通信中具有重要的地位, 許多特殊場景以及航空通信中離不開短波和超短波通信[1-3]。由于短波和超短波的波長可達(dá)數(shù)米至上百米，導(dǎo)致常規(guī)電尺寸下天線物理尺寸極其龐大。在很多應(yīng)用場景中，天線尺寸受到嚴(yán)格限制，而電小天線的特點(diǎn)是其電尺寸遠(yuǎn)小于常規(guī)天線，因此，電小天線在許多天線尺寸受限場景中具有重要應(yīng)用價值[4]。單極子天線是最普遍的一類天線[5-6]，這種天線相比于傳統(tǒng)半波偶極子天線而言，僅需要四分之一波長的電尺寸。因而采用單極子天線進(jìn)行電小天線設(shè)計(jì)引起了人們重視。

1948年， Wheeler研究了電小天線的電磁特性并提出了電小天線的定義[7]；Chu和Harrington在此基礎(chǔ)上對電小天線做了更為全面的理論分析[8-9]；2005年， Mattioni通過加載電路的方式，設(shè)計(jì)了一款超寬帶電小折疊單極子天線[10]；2013年， Oh提出了一款頂部加載貼片電容的低剖面折疊單極子天線，實(shí)現(xiàn)了極端電小天線性能[11]。

微帶單極子天線作為微帶天線的一類，具有結(jié)構(gòu)簡單、易于加工和集成等特點(diǎn)。其饋電網(wǎng)絡(luò)可與天線結(jié)構(gòu)集成[12]，可通過微帶巴倫結(jié)構(gòu)或是阻抗元件加載等方式實(shí)現(xiàn)阻抗匹配。同時，可采用高介電常數(shù)的介質(zhì)基板實(shí)現(xiàn)微帶天線的小型化設(shè)計(jì)[13-14]。

本文提出一種新型微帶天線結(jié)構(gòu)，該結(jié)構(gòu)基于微帶單極子天線，通過增加電流路徑，拓展天線帶寬，并引入集總元件加載技術(shù)[15]，使天線具有極端電小特性以及超寬帶特性，并且在工作頻段內(nèi)，天線具有良好的全向輻射特性。

1 天線結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)

本文以微帶單極子天線為基礎(chǔ)，進(jìn)行集總元件加載極端電小天線設(shè)計(jì)，天線設(shè)計(jì)過程如圖1所示。圖中綠色部分為覆蓋在介質(zhì)基板上的接地共面波導(dǎo)及天線輻射結(jié)構(gòu)，黃色部分為覆蓋在介質(zhì)基板下面的金屬地。其中，圖1(a)為最初的微帶單極子天線，它是一種諧振式天線，對應(yīng)工作模式為窄帶；將其延長彎折，并在輻射部分末端接地，形成如圖1(b)所示的折疊偶極子天線。為了增加天線工作帶寬，在圖1(b)的基礎(chǔ)上擴(kuò)展了新的短路枝節(jié)，以引入高頻諧振點(diǎn)，使天線為雙頻模式，形成了微帶雙折疊偶極子天線，如圖1(c)所示。最終通過加載集總元件的方式，將天線的帶寬進(jìn)一步擴(kuò)展，并實(shí)現(xiàn)了極端電小的特性，如圖1(d)所示。

(a) 結(jié)構(gòu)1

設(shè)計(jì)的天線仿真結(jié)構(gòu)如圖2所示，圖中天線的長寬分別用L、W表示，L_a和W1分別是天線輻射部分的長和寬，微帶線的寬度為1.6 mm，L_gnd是介質(zhì)基板背部金屬地的長度，介質(zhì)基板的厚度為1.5 mm，L_cpw為接地共面波導(dǎo)長度，Gap_c為等效電容在微帶結(jié)構(gòu)的開口寬度，Gap_l為安裝集總元件的預(yù)留寬度。

(a) 結(jié)構(gòu)參數(shù)

天線采用50 Ω同軸線，由W_f1處的接地共面波導(dǎo)饋電，通過一小段漸變微帶線連接天線輻射部分。由于采用了接地共面波導(dǎo)，在天線輻射末端直接與接地共面波導(dǎo)相連，省去了過孔接地，避免了過孔對天線輸入阻抗的影響。天線參數(shù)如表1所示，阻抗元件值如表2所示。

表1 天線結(jié)構(gòu)參數(shù)

表2 集總元件參數(shù)

2 天線仿真分析

對圖1(c)所示未加載阻抗元件的微帶雙折疊單極子天線結(jié)構(gòu)進(jìn)行仿真分析，其電壓駐波比(Voltage Standing Wave Ratio,VSWR)如圖3(a)所示，阻抗曲線如圖4(a)所示。由圖可知，天線對應(yīng)的工作頻段為1.07～1.31 GHz和1.56～1.60 GHz，根據(jù)仿真結(jié)果，驗(yàn)證了雙折疊單極子通過增加短路枝節(jié)，引入新的諧振點(diǎn)以實(shí)現(xiàn)拓展帶寬的可行性。進(jìn)而，對天線模型進(jìn)行加載阻抗元件，仿真的電壓駐波比結(jié)果如圖3(b)所示，阻抗曲線如圖4(b)所示，天線對應(yīng)的工作頻段為0.17～0.91 GHz，通過加載阻抗元件，使得天線的電阻分量在0.17～0.91 GHz時維持在50 Ω附近，電抗分量在工作頻段內(nèi)維持在-50～50區(qū)間內(nèi)，因此天線具有良好的阻抗帶寬。

(a) 未加載阻抗元件模型VSWR圖

(a) 未加載阻抗元件模型阻抗曲線

由仿真結(jié)果得知，當(dāng)未加載阻抗元件時，天線對應(yīng)的電尺寸為0.33λ×0.14λ×0.005λ(其中，λ對應(yīng)為1.07 GHz時的工作波長)，加載阻抗元件后，電尺寸為0.053λ×0.022λ×0.000 8λ(λ為低頻0.17 GHz處的波長)。從該仿真數(shù)據(jù)驗(yàn)證得知，通過加載阻抗元件，極大地減小了天線的電尺寸，工作頻段內(nèi)電壓駐波比均小于2。

3 天線加工測試

為了驗(yàn)證設(shè)計(jì)的可行性，對圖1(d)的模型進(jìn)行了加工實(shí)測，加工的天線模型如圖5所示。駐波測試環(huán)境如圖6所示。圖7為天線測試與仿真的駐波對比結(jié)果。測試了該天線在350 MHz、550 MHz、750 MHz的方向圖及增益。

(a) 天線實(shí)物圖正面

圖6 天線駐波測試環(huán)境

由圖7可以看出，該天線的測試駐波工作頻率范圍為200～910 MHz，圖8、圖9分別為天線在350 MHz、550 MHz、750 MHz測得的E面和H面歸一化方向圖。表3為天線在對應(yīng)頻點(diǎn)處測得仿真與實(shí)測的增益結(jié)果對比，表4為天線H面方向圖的不圓度仿真和測試結(jié)果對比。觀察測試結(jié)果，天線在200～900 MHz內(nèi)駐波均小于2，H面方向圖的不圓度在350 MHz、550 MHz和750 MHz處均小于1.2 dB，因而天線具有較好的全向輻射特性，天線測試結(jié)果與仿真結(jié)果吻合良好。

圖7 駐波仿真與測試對比圖

表3 天線增益仿真與測試結(jié)果對比

表4 H面方向圖不圓度

(a) 350 MHz

(a) 350 MHz

4 結(jié)論

本文設(shè)計(jì)了一款集總元件加載極端電小天線。該天線基于平面單極子天線基礎(chǔ)上，拓展電流路徑，形成折疊單極子天線；通過引入高頻諧振，增加短路枝節(jié)，進(jìn)而擴(kuò)展天線工作帶寬；最后，在平面雙折疊單極子天線的基礎(chǔ)上，通過阻抗元件加載技術(shù)，實(shí)現(xiàn)了具有超寬帶、極端電小特性的新型微帶天線。由加工模型測試的結(jié)果對比，該天線的仿真性能與實(shí)測性能吻合較好，驗(yàn)證了該設(shè)計(jì)的可行性。