魏 聰，陳 星

(四川大學(xué) 電子信息學(xué)院，四川 成都 610065)

0 引言

印刷單極子天線[1-3]由于其低成本、低剖面[4-6]、易于制造以及其全向輻射方向圖特性而被廣泛應(yīng)用于各種通信中。隨著無線通信技術(shù)的不斷發(fā)展，對于收發(fā)信號的天線也提出了更高的要求，龐大笨重的天線顯然無法滿足實際需要。例如在一些短波/超短波無線通信的應(yīng)用場景中，人工背負通信設(shè)備對天線尺寸就有十分嚴苛的要求，要求設(shè)計為便攜天線。由于短波/超短波的波長可長達數(shù)米至數(shù)百米，為了便于攜帶就必須將短波/超短波天線設(shè)計為電小天線[7-8]，即天線尺寸需要遠小于工作波長，才能便于集成和縮小占地空間。

目前國內(nèi)外已經(jīng)提出了很多方法來減小天線的尺寸，Choi等人提出了用于VHF頻段的小型折疊偶極子天線[7]，使用折疊技術(shù)減小天線的物理尺寸。一些研究中使用了具有超材料加載[8]和開槽接地結(jié)構(gòu)的方法使天線小型化[9-10]。另外還有使用高介電常數(shù)的介質(zhì)基板、輻射元件的分形、缺陷微帶結(jié)構(gòu)(DMS)、缺陷接地結(jié)構(gòu)(DGS)或它們的組合來縮小天線的尺寸[11-15]。

本文使用了開槽、彎曲折疊線以及電感加載[16]的組合方法設(shè)計了一種頻率可變的電小單極子天線，通過在彎曲折疊線的基礎(chǔ)上加載電感，進一步降低了天線諧振頻率，為天線的小型化提出了一種新的設(shè)計思路。

1 天線結(jié)構(gòu)設(shè)計

在電小天線的設(shè)計過程中，設(shè)計圍繞的核心是如何在有限的天線結(jié)構(gòu)上，引入更長的電流流動路徑，從而使得天線的工作頻點降到更低的頻段，實現(xiàn)小型化。本文的設(shè)計思路是在不增大天線物理尺寸的前提下，對輻射貼片進行開槽和彎曲折疊來延長輻射貼片上的電流流動路徑，然后通過電感加載抵消低頻處的容抗，通過改變電感值來調(diào)節(jié)天線工作頻點，從而實現(xiàn)單極子天線的寬帶變頻以及小型化。

天線結(jié)構(gòu)示意圖如圖1所示，在傳統(tǒng)的單極子天線基礎(chǔ)上，進行了開槽和引入彎曲折疊線，從而增加天線表面的電流流動路徑。貼片和接地平面由厚度為0.035 mm的銅片制成，通過50 Ω微帶線連接SMA接頭進行饋電。

(a) 天線正面

對天線部分結(jié)構(gòu)參數(shù)進行了掃參分析，分別是天線背面地的長度Lg、饋電微帶線的寬度W4、輻射貼片寬度W1，掃參結(jié)果如圖2～圖4所示。

由圖2～圖4可以看出，隨著天線背面的地長度Lg的增大，諧振點逐漸上移，較小的Lg有利于降低端口的回波損耗，但同時也降低了天線輻射增益。對于W1和W4而言，W1和W4越小，諧振點越向低頻移動，諧振深度同時也在降低。

圖2 不同Lg對天線|S11|的影響

圖3 不同W1對天線|S11|的影響

圖4 不同W4對天線|S11|的影響

經(jīng)過對各個參數(shù)的掃描優(yōu)化后，考慮到天線工作頻點的|S11|要在-10 dB以下，并兼顧天線的輻射增益、更低的諧振頻率。選取了分別對應(yīng)與天線性能最優(yōu)的數(shù)值進行彎曲折疊單極子天線的設(shè)計，天線的結(jié)構(gòu)參數(shù)如表1所示。

表1 天線結(jié)構(gòu)參數(shù)

2 天線的電感加載

在天線結(jié)構(gòu)上進行改進后，的確會使天線的電尺寸得到縮小。但在不改變天線尺寸的前提下想要進一步縮小天線，再從結(jié)構(gòu)上下功夫會較為困難。此時可以借助集總元器件的特性，在輸入阻抗中對呈現(xiàn)感抗的頻點進行容性加載，又或是在輸入阻抗中對呈現(xiàn)容性的頻點進行感性加載，這樣的好處是可以不改變原有天線的結(jié)構(gòu)，而是通過外加的電容電感去抵消天線輸入阻抗中的電抗，從而使天線諧振點往低頻移動。

上節(jié)中設(shè)計的彎曲折疊單極子天線的輸入阻抗特性曲線如圖5所示，可以看出在350 MHz之前，天線的阻抗虛部都是呈容性，所以可以使用電感加載來抵消低頻段的容抗，使得天線諧振點向低頻處移動。

圖5 天線的輸入阻抗特性曲線

查看天線表面的電流分布，如圖6所示，發(fā)現(xiàn)在第一段彎折線入口處，天線有較大的電流。在電流較大的地方，輻射性能也會比其他地方更強，于是在此處切開一個1.5 mm的槽，嘗試進行感性加載來補償天線低頻處的容抗，使諧振點向低頻移動，達到小型化的目的。

圖6 天線表面電流分布圖

在第一段彎折線入口處加載了不同感值的電感后，天線的|S11|曲線如圖7所示，圖7給出了仿真中電感值在1～90 nH的不同電感數(shù)值下，天線的|S11|曲線的移動情況。

圖7 仿真加載不同電感值對天線|S11|的影響

仿真結(jié)果表明，進行電感加載后天線的諧振點向低頻端移動，頻率變化的帶寬(|S11|<-10 dB)為390.7～282.5 MHz，這說明引入的電感補償了低頻處的容抗，使得天線諧振點向低頻移動。

3 天線加工與實測

為了驗證仿真設(shè)計的準確性，對天線進行了實際的加工測試，介質(zhì)基板采用厚度為1.5 mm的Rogers4003，介電常數(shù)為3.55，損耗角正切0.002 7。天線的加工實物圖如圖8所示。

(a) 天線正面

然后對天線進行了端口反射系數(shù)的測試，由于該天線為電小天線，所以在測試過程中要避免人體離天線太近，避免手拿天線進行測試。測試儀器為安捷倫型號的矢量網(wǎng)絡(luò)分析儀，進行矢網(wǎng)校準后將天線和同軸線連接到一起，然后將天線放置到泡沫架上，等待數(shù)據(jù)穩(wěn)定后保存數(shù)據(jù)，與仿真數(shù)據(jù)進行對比。圖9天線仿真和實測的|S11|對比曲線。在誤差范圍內(nèi)，可以認為仿真和實測基本一致，存在一些頻率偏差的原因可能是加工精度未達到仿真要求、SMA接口處的焊接誤差等。

圖9 仿真與實測|S11|對比

天線在395 MHz頻點處的仿真和實測方向圖如圖10所示，天線具有全向輻射特性，最大輻射增益可達1.2 dBi。

(a) E面方向圖

如圖11所示，在天線中間的第一段彎折線處進行了電感加載實測，此處空出了1.5 mm的空隙，便于焊接電感器件。

圖11 加載電感的天線實物圖

實測加載不同電感值的天線|S11|曲線如圖12所示，可以看到，隨著電感數(shù)值的增大，天線諧振點也在逐漸向低頻處移動。天線諧振頻率從無加載的373 MHz，經(jīng)過加載電感后，最低諧振頻率為267 MHz，實現(xiàn)了106 MHz的變頻帶寬，實測結(jié)果和仿真結(jié)果存在一些偏差，主要原因可能是電感焊接處有虛焊，但總體上仿真結(jié)果和實測結(jié)果吻合。

圖12 實測加載不同電感值對天線|S11|的影響

天線加載15 nH電感后，在諧振點362 MHz處的二維方向圖如圖13所示。

(a) E面方向圖

4 結(jié)論

通過彎曲折疊、引入開槽孔，并在彎折線前端加載電感的方式，設(shè)計了一款小型化頻率可變的電小單極子天線。天線通過加載不同電感值的電感器件，諧振頻率從373 MHz降低到了267 MHz，實現(xiàn)了106 MHz的變頻帶寬，天線最小電尺寸為0.089λ。天線具有全向輻射特性，最大輻射增益可達1.2 dBi，該天線的設(shè)計為天線的小型化以及變頻寬帶工作提供了一種新思路。