李 慧,官伯然

(杭州電子科技大學(xué)電子信息學(xué)院,浙江杭州310018)

0 引 言

隨著軍事及民用通信的發(fā)展,通信設(shè)備的小型化要求進(jìn)一步提高,對天線小型化技術(shù)也有了更高的要求[1]。法向模螺旋天線是實(shí)現(xiàn)天線小型化的主要技術(shù)之一[2]。法向模螺旋天線(又稱基模螺旋天線),它可有效的降低天線的高度,實(shí)現(xiàn)天線的小型化。手機(jī)天線的研究,大多以平面倒F天線為主,螺旋天線作為手機(jī)天線的研究不是很廣泛。本文設(shè)計(jì)了一種能諧振于GSM和DCS的螺旋天線[3],它具有特殊的螺旋天線結(jié)構(gòu),半徑于波長之比遠(yuǎn)遠(yuǎn)小于0.18,為一種法向模螺旋天線。內(nèi)嵌于介電常數(shù)為2.5的介質(zhì)中,它具有體積小,重量輕,能方便的置于手機(jī)內(nèi)部。

1 法向模螺旋天線

典型的螺旋天為圓柱形螺旋天線,使用金屬導(dǎo)線(或金屬管帶)繞制成螺旋結(jié)構(gòu)的行波天線,如圖1所示,通常使用同軸線饋電。

其結(jié)構(gòu)內(nèi)的各個參數(shù):D為螺旋天線的直徑;C=πD為螺旋天線的圓周長;S=Ctana為每圈的螺距;a為斜度角;L=為一圈的長度;N為圈數(shù);h=NS為高度(軸向高)d為螺旋天線導(dǎo)體的直徑將天線的每一匝近似為一小環(huán)和一理想偶極子組合,如圖2所示。

螺旋由于多匝線圈纏繞的結(jié)果,增大了感性阻抗,因此容易實(shí)現(xiàn)自諧振,當(dāng)自諧振時,它沿螺旋軸的長度較之常規(guī)的單極天線自諧振長度要短的多,利用這一特性制作細(xì)螺旋天線,其整個天線系統(tǒng)的效率可以相比同長度的常規(guī)單極子天線高出許多。螺旋天線輻射特性基本上取決于螺旋直徑與波長之比D/λ,當(dāng)D＜＜λ(D/λ＜0.18)時,最大輻射角垂直于螺旋軸向稱為法向模[3],在蜂窩移動電話天線應(yīng)用中螺旋天線均為法向模。同時,法向模螺旋天線是一種慢波結(jié)構(gòu)的行波天線,由于電磁波沿螺旋天線傳播的相速比光速慢,所以諧振長度可以縮短[4]。

法向模螺旋天線的缺點(diǎn)之一是輸入阻抗比較低,為了與常見50Ω和75Ω同軸線匹配,常需要進(jìn)行匹配改進(jìn)。饋電通常可采用如圖3所示3種方式。由于小型化設(shè)計(jì)的要求,在設(shè)計(jì)中應(yīng)考慮匹配網(wǎng)絡(luò)的實(shí)現(xiàn)。

圖1 螺旋天線結(jié)構(gòu)

圖2 近似螺旋天線示意圖

圖3 同軸饋電匹配方式

2 天線設(shè)計(jì)

法向模螺旋天線的設(shè)計(jì)一般是先取定螺旋直徑D和單位長度的圈數(shù)N(N=1/S)計(jì)算其相對傳播常數(shù)[5]約為,C為波在真空中的速度,vz為沿螺旋軸線傳輸波速:

則相應(yīng)的沿螺旋軸線傳輸波長λz為:

這種法向模螺旋天線多用作垂直極化方式,以取代車載或船載的垂直鞭天線,使天線的垂直高度大大降低。顯然,諧振與四分之一波長的螺旋天線長度為:

可見,能大大縮短天線的長度。由式3可得:

若考慮到L=ns=n/N,將4右端的因子1忽略不計(jì),于是有:

當(dāng)已知D和L,就可以通過上式求得法向模螺旋天線的總?cè)?shù)n為:

設(shè)計(jì)的天線,首先設(shè)計(jì)的天線是法向模結(jié)構(gòu),所以需要螺旋的半徑遠(yuǎn)遠(yuǎn)小于工作頻段的波長,選取螺旋天線半徑,選定繞的圈數(shù),一般天線圈數(shù)越多,天線的增益越大,然而對于內(nèi)置天線來說,天線又不能取過長,一般取3～4圈。

本文中天線用HFSS建模,手機(jī)內(nèi)置天線的三維模型如圖4所示。該模型由4部分構(gòu)成:天線單元～加載介質(zhì)單元,饋電線部分和接地板等。這4部分共同參與完成電磁波與高頻電流的轉(zhuǎn)換。天線單元由兩段細(xì)鎳絲和銅絲繞成,呈一定螺旋狀,金屬繞線的切面為0.1mm×0.2mm,偶極子由半徑為0.2mm的圓柱構(gòu)成,外部加載介電常數(shù)為2.5的介質(zhì)。饋電端口采用50Ω同軸線饋電。通過多次模擬仿真給出一組比較良好的參數(shù),如圖5所示,其中angel1,angel2為小環(huán)所繞的度數(shù)。angel1為246°,angel2為265°,h1為0.56mm,h2為0.85mm,h3為1.03mm,h4為2.45mm,h5為2.55mm,h6為0.625mm為各個小偶極子的高度。

圖4 天線結(jié)構(gòu)圖

圖5 天線參數(shù)設(shè)置

3 仿真結(jié)果

從HFSS中S11參數(shù)輸出的結(jié)果如圖6所示,觀察天線仿真結(jié)果,從回波阻抗仿真結(jié)果可以看出,天線主要工作頻段880～960MHz,1 710～1 880MHz頻段,帶寬分別為80 MHz和170MHz,能覆蓋GSM和DCS段通信區(qū)域。經(jīng)過計(jì)算,駐波比在這兩個頻段的駐波比最小可以達(dá)到1.19,最大不超過2.25,天線增益在920MHz和1.75GHz的方向圖如圖7、8所示,最大分別為2.29dBi和1.0dBi,增益滿足GSM和DCS頻段的通信要求,且輻射方向垂直于螺旋天線的中心軸方向。

值得注意的是,天線在手機(jī)內(nèi)部在放置方式會影響到天線在工作性能,天線放置在手機(jī)內(nèi)部的時候,平行天線下端在部分需要留出空白區(qū)域,否則會影響到天線的輻射效率。

圖6 天線S11參數(shù)

圖7 920MHz時天線方向圖

圖8 1.75GHz時天線方向圖

4 結(jié)束語

法向模螺旋結(jié)構(gòu)天線是天線小型化設(shè)計(jì)的一種方法,通過對新型法向模螺旋天線進(jìn)行研究分析,本文設(shè)計(jì)了一種工作在GSM和DCS頻段的法向模螺旋天線。天線類螺旋繞法,解決了一般螺旋天線生產(chǎn)中難以精確控制升角在問題,同時采用鎳絲和銅絲在方法使得天線實(shí)現(xiàn)小型化雙頻段工作。仿真結(jié)果表明,該天線在GSM和DCS頻段內(nèi)分別具有80MHz和170MHz的工作帶寬,最大有2.29dBi增益,基本可以滿足CSM和DCS移動終端的要求,天線不足是輻射效率和增益較小,有待提高。

[1] 林昌祿,陳海.吳為公,等.近代天線設(shè)計(jì)[M].北京:人民郵電出版社,2004:215～235.

[2] 紀(jì)弈才,郭景麗,劉其中.加載法向模螺旋天線的研究[J].電報(bào)科學(xué)學(xué)報(bào),2002,17(6):573～580.

[3] Hansen Richard RC,Ridgley D,Life Fellow.Fields of the Contra wound Toroidal Helix Antenna[J].IEEE Transactions on antenna and Propagation,2001,49(8):1 138～1 141.

[4] Shackelford A K.Design of Small-size Wide-bandwidth Microstrip-patch Antenna[J].IEEE Antennas and Propagation Magazine,2003,45(1):75～83.

[5] 劉庭華,章文勛.一種新型的GSM/DCS印刷貼片天線單元[J].電波科學(xué)學(xué)報(bào),2004,19(2):171～175.

[6] Fujimoto K,James JR.Mobile Antenna Systems Handbook[M].Boston:Artech Home,2001:155～165.