鄒 彬，王 偉，趙澤西，華 偉

(1.四川大學(xué) 電子信息學(xué)院，四川 成都 610065；2.中國民航局 第二研究所，四川 成都 610041)

一款共面波導(dǎo)饋電單極子天線的設(shè)計

鄒 彬1，王 偉2，趙澤西2，華 偉1

(1.四川大學(xué) 電子信息學(xué)院，四川 成都 610065；2.中國民航局 第二研究所，四川 成都 610041)

文中設(shè)計了一種工作在頻段1～1.2 GHz采用共面波導(dǎo)(CPW)饋電的貼片單極子天線。該貼片天線印刷在相對介電常數(shù)4.5，厚度為1.6 mm的FR4的介質(zhì)板上，背面添加的金屬反射板確保天線的定向性指標達到設(shè)計的要求。仿真使用基于有限差分的三維電磁仿真軟件，設(shè)計的貼片天線回波損耗、方向圖等參數(shù)達到要求的指標。對該天線回波損耗的實際測量結(jié)果和仿真結(jié)果對比表明，在整個目標頻段內(nèi)吻合較好，滿足設(shè)計指標要求。

定向輻射；平面單極子；共面波導(dǎo)(CPW)

天線廣泛應(yīng)用于通訊、雷達、導(dǎo)航、廣播、遙測和天文等領(lǐng)域，在通信中有著非常重要的作用。近年來，隨著民用航空的發(fā)展，機場飛機起降頻率大幅度升高，機載通信設(shè)備數(shù)量大、種類多，由于頻率、幅度不同的各種電磁信號使得機場電磁環(huán)境日益復(fù)雜，針對不同應(yīng)用的天線提出更高的要求，不僅滿足高質(zhì)量的發(fā)射接收信號的需求，還要具有較強的電磁兼容性(EMC)性能。具備定向輻射性能的定向天線，由于在一定的方向內(nèi)發(fā)射和接收信號，可在保證高質(zhì)量的通信的同時，減弱其他方向設(shè)備的干擾，避免對其他電子設(shè)備的干擾影響。

平面印刷單極子天線以其結(jié)構(gòu)簡單，加工容易，造價低廉等優(yōu)點受到廣泛的關(guān)注[1-5]。共面波導(dǎo)(CPW)饋電方法具有結(jié)構(gòu)簡單緊湊，阻抗匹配易實現(xiàn)等優(yōu)點[6-10]。常規(guī)的單極子天線帶寬通常在5%以下，屬于窄帶天線，要實現(xiàn)帶寬在10%以上，需要對天線的結(jié)構(gòu)進行優(yōu)化，采用漸變結(jié)構(gòu)能在不大幅度改變天線結(jié)構(gòu)的基礎(chǔ)上，提高工作頻率的帶寬[5,11-14]。單極子天線的方向圖在H面為全向輻射，為了讓天線具備定向輻射的特性，采取背面增加反射板這種常見的方式來提高天線的方向性，減小背向輻射[15]。根據(jù)該天線是機場用于定向接收跑道方向上飛機起飛和降落時的應(yīng)答機信號，本文設(shè)計了一款共面波導(dǎo)饋電的定向單極子天線，由單極子天線和金屬反射背板兩部分構(gòu)成。利用電磁仿真軟件對天線各部分參數(shù)進行仿真分析和優(yōu)化，研究尺寸等參數(shù)對天線回波損耗、輻射方向圖的影響，并實際測量。將實際測量結(jié)果與仿真結(jié)果對比表明，天線在整個目標頻段內(nèi)吻合較好，滿足設(shè)計指標要求。

1 單極子天線仿真分析與測試

設(shè)計的天線工作頻段要求在1～1.2 GHz，中心頻率1.09 GHz。根據(jù)天線的指標要求，單極子天線部分包括輻射貼片和共面波導(dǎo)組成，制作于相對介電常數(shù)為4.5，長度465 mm，寬度60 mm，厚度1.6 mm的FR4介質(zhì)基板上。

圖1 單極子天線的結(jié)構(gòu)

使用三維電磁場仿真軟件對單極子天線進行建模仿真，其平面結(jié)構(gòu)圖，如圖1所示。為了提高天線的工作頻段寬度，對天線的貼片作漸變處理，貼片的長度L2取75 mm，L3取100 mm，L4取170 mm，寬W2取40 mm，W3取50 mm 。為了抑制非工作頻段內(nèi)相鄰的諧振頻帶的干擾，在天線的頂端做了切角和開槽的處理[12]，其中切角的邊長L5為119 mm，凹槽結(jié)構(gòu)中矩形貼片的尺寸Lp為26 mm，Wp為19 mm。天線通過50 Ω的SMA同軸電纜連接共面波導(dǎo)進行饋電，為實現(xiàn)天線與同軸電纜阻抗較好的匹配，經(jīng)仿真優(yōu)化，將共面波導(dǎo)的中心帶的寬度取2 mm，長度取100 mm，與兩接地帶的間隔均為1 mm，接地帶的長度L1為90 mm，寬度W1為28 mm。

圖2 回波損耗與CPW的關(guān)系

在傳統(tǒng)共面波導(dǎo)的結(jié)構(gòu)形式上增加半徑R1為16 mm的圓形貼片，其中接地帶側(cè)的圓弧R2為20 mm，能較大幅度的增加電流的路徑，將諧振的頻帶向低頻調(diào)整。圖2所示為優(yōu)化前與優(yōu)化后的回波損耗S11曲線對比，從中可以發(fā)現(xiàn)在增加該圓形貼片后，天線的諧振頻率調(diào)整到了所需的工作頻段1.09 GHz，同時也達到阻抗匹配的目的。

根據(jù)以上結(jié)構(gòu)參數(shù)的仿真優(yōu)化得到天線尺寸數(shù)據(jù)，加工制作了平面單極子天線的實物，如圖3所示。隨后使用矢量網(wǎng)絡(luò)分析儀對天線的回波反射特性進行了測試，在頻段1.03～1.2 GHz內(nèi)，S11<-10 dB。將實際測量的結(jié)果與仿真數(shù)據(jù)進行了對比，如圖4所示。從圖中可以看出，實際測量的回波損耗S11參數(shù)與仿真的結(jié)果在頻段1～1.2 GHz內(nèi)近似吻合，滿足設(shè)計指標要求。

圖3 單極子天線實物

圖4 實測與仿真S11對比

2 天線反射板設(shè)計

設(shè)計的天線要求在水平斜上和水平斜下的輻射方向上的增益>5dBi，半功率波瓣寬度<40°。根據(jù)要求，在單極子天線的背面增加了一塊長Lr為590 mm，寬Wr為400 mm的金屬反射板和長度為400 mm，寬度為120 mm的底板，反射板與底板垂直連接。根據(jù)該天線的應(yīng)用場景為戶外環(huán)境，需要將防水、架設(shè)等因素增加到天線的設(shè)計中，在結(jié)構(gòu)上增加相對介電常數(shù)為4，內(nèi)半徑31 mm，外半徑32 mm的玻璃鋼外罩，兩端采用內(nèi)半徑32 mm，厚度2 mm金屬環(huán)固定，并通過半徑為5 mm的金屬支桿與反射板固定。天線的平面正視圖和立體視圖，如圖5所示。

圖5 天線正視圖和立體圖

圖6 回波損耗與反射板的關(guān)系

在增加反射板、外罩和連接結(jié)構(gòu)后，將天線的回波損耗S11曲線與增加前對比，如圖6所示?？梢钥闯鲈谠黾臃瓷浒搴?，天線的S11曲線在1.4 GHz出現(xiàn)了一個頻帶較窄的諧振頻段，在其他頻段天線的回波損耗曲線變化不大，不影響天線的設(shè)計工作頻率，符合設(shè)計要求。

單極子天線與金屬反射背板之間的距離能直接影響天線的輻射方向，通過仿真優(yōu)化，當(dāng)距離為60 mm時，天線的波瓣分為兩瓣，水平斜上和水平斜下。圖7所示為天線在1.09 GHz時的方向圖，圖7(a)為無反射板時的方向圖，圖7(b)圖為增加反射板后的方向圖，其中實線表示E面方向圖，虛線表示H面方向圖。從圖7(a)中可以看出，天線在1.09 GHz處H面為全向輻射，E面方向圖中主要輻射方向朝向兩側(cè)。圖7(b)中所示為增加反射板后天線的方向圖，H面的方向圖發(fā)生了變化，E面方向圖朝向一側(cè)，在50°方向(水平斜上)，3 dB帶寬29.5°，增益7.9 dBi，在315°方向(水平斜下)，3 dB帶寬35°，增益6 dBi，均滿足>5 dBi的設(shè)計指標。

3 結(jié)束語

根據(jù)天線的實際應(yīng)用場景及指標要求，基于平面單極子天線，設(shè)計了一種以共面波導(dǎo)饋電的平面單極子天線，通過增加金屬反射板實現(xiàn)天線的定向性要求，結(jié)構(gòu)上增加了玻璃鋼材質(zhì)的保護罩，以適應(yīng)惡劣的戶外環(huán)境。在天線的設(shè)計過程中，根據(jù)指標要求，采用了漸變結(jié)構(gòu)、調(diào)整共面波導(dǎo)等方法優(yōu)化天線的頻帶特性并對其進行了研究分析。通過調(diào)整金屬反射背板與單極子天線之間的距離，根據(jù)仿真優(yōu)化，得到了滿足要求的取值。最后根據(jù)優(yōu)化結(jié)果所得的結(jié)構(gòu)參數(shù)制作了單極子天線。經(jīng)實際測量，該天線在1.03～1.2 GHz，S11< -10 dB，與仿真數(shù)值近似吻合，滿足設(shè)計要求。

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Design of a CPW-fed Monopole Antenna

ZOU Bin1,WANG Wei2,ZHAO Zexi2,HUA Wei1

(1.School of Electronic Information Institute,Sichuan University,Chengdu 610065,China；2. The Second Research Institute of CAAC,Chengdu 610041,China)

A coplanar waveguide(CPW)-fed monopole antenna working at 1～1.2 GHz is designed which is printed on a FR4 plate with a thickness of 1.6mm and a dielectric constant of 4.5. The directivity of the antenna matches well to the desired parameters with an added metal reflector behind the antenna. Three dimensional electromagnetic simulation software was used to optimize the parameters of the antenna. The return loss and the pattern of the designed antenna reaches the desire ones. The monopole antenna is manufactured and tested. The comparison with tested results and the simulation ones shows the good agreements with the design requirements in whole target frequency range.

directional radiation; planar monopole ; coplanar waveguide (CPW)

2017- 03- 24

自然科學(xué)基金民航聯(lián)合基金(U1433129,U1633129)

鄒彬(1985-)，男，碩士研究生。研究方向：電磁場與微波技術(shù)。王偉(1983-)，男，副研究員。研究方向：通信導(dǎo)航監(jiān)視系統(tǒng)。趙澤西(1988-)，男，碩士，助理研究員。 研究方向：通航機載監(jiān)視系統(tǒng)設(shè)計、嵌入式系統(tǒng)開發(fā)與測試。華偉(1967-)，男，博士，副教授。研究方向：電磁場與微波技術(shù)。

TN821

A

1007-7820(2018)02-032-03