易 波 李麗英 陳紫琪
(中國人民解放軍78118部隊 成都 610000)
隨著移動通信技術(shù)、空間技術(shù)和超寬帶電子技術(shù)的發(fā)展,各種電子設(shè)備均向小型化和微型化方向發(fā)展,一方面要求天線具有寬頻帶、多功能、多業(yè)務融合等特點,另一方面又要求天線的體積小、質(zhì)量輕、成本低[1~2]。當天線尺寸小于十分之一波長時稱為“電小天線”[3]。此類天線帶寬、阻抗匹配等問題是設(shè)計難點[4]。
加載集總元件是天線工程中常用的小型化和寬帶方法[5~8]。微帶天線具有結(jié)構(gòu)靈活,設(shè)計和制造簡單,在通信、雷達、導航等領(lǐng)域得到廣泛應用[9~10]。本文瞄準某型集群通信(550MHz~650MHz)天線小型化設(shè)計目標,采用加載技術(shù)和微帶技術(shù),設(shè)計出了尺寸小于十分之一波長的電小天線,相對帶寬超過20%,加工制作了天線實物,仿真與實測結(jié)果表明所設(shè)計天線具有良好的性能。
圖1 為本文所設(shè)計天線基本模型。在介質(zhì)基板兩側(cè)分別為饋電雙線和諧振圓環(huán),中間通過金屬過孔連接。圓環(huán)內(nèi)直徑為30mm,外直徑為36mm,金屬饋線寬度為1mm,間隔為1mm,過孔半徑為0.5mm。金屬圓環(huán)上下開口,一端用于連接饋電線,一端用于加載集電阻,天線尺寸參數(shù)如表1。
圖1 天線基本模型
表1 天線結(jié)構(gòu)參數(shù)∕mm
利用HFSS仿真軟件,建立目標天線仿真模型,對集總電阻阻值從1000Ω至3000Ω進行掃描,得到結(jié)果如圖2所示。
圖2 不同加載電阻值條件下天線的傳輸性能
從圖2 中可以看出,加載集總電阻阻值從1000Ω增加到3000Ω過程中,反射系數(shù)先變小后增大,在1100Ω~1600Ω處達到最優(yōu)。綜合帶寬和反射系數(shù)性能,加載集總電阻阻值選為1500Ω,此時工 作 帶 寬 為660MHz~790MHz,相 對 帶 寬 為17.9%。天線在700MHz 時天線遠場方向圖如圖3所示。圖3表明天線遠區(qū)輻射場全向性差。
圖3 天線E面和H面遠場輻射方向圖
將天線基板設(shè)置為正方形,相應地減少了天線縱向長度,增加橫向?qū)挾?。為了便于饋電,饋電端口增加金屬地,將雙線饋電更改為巴倫,實現(xiàn)同軸線饋電到雙線饋電的轉(zhuǎn)換,圓環(huán)修改為扁平橢圓環(huán)[11~12]。采用多諧振方式,增加天線工作帶寬[13~14]。優(yōu)化后的天線結(jié)構(gòu)如圖4所示,尺寸參數(shù)如表2所示。
圖4 優(yōu)化后的天線結(jié)構(gòu)
表2 三個磁振子型天線模型尺寸∕(mm,Ω)
對加載電阻R1、R2以及R3值進行掃描,結(jié)果如圖5~圖7所示。
圖5 不同電阻R1 值時天線S11
從圖5~圖7 可以發(fā)現(xiàn),隨著R1增大,天線諧振強度先增加后降低,在1697Ω最強;隨著R2增大,天線低端諧振頻點向下偏移,高頻段維持不動;隨著R3增大,天線帶寬變化較小。綜合帶寬和反射系數(shù)考慮,選擇R1=1500Ω,R2=250Ω,R3=160Ω作為最終加載集總電阻阻值,此時天線反射系數(shù)和駐波系數(shù)如圖8所示。
圖6 不同電阻R2 值時天線S11
圖7 不同電阻R3 值時天線S11
圖8 天線饋電端口S11和駐波比
選擇500MHz、600MHz、700MHz 三個頻點,優(yōu)化后天線方向圖如圖9 所示。從圖9 可以看出,優(yōu)化后天線全向性得到較大改善,滿足通信天線基本要求。
圖9 優(yōu)化后天線E面和H面方向圖
按照圖4 天線結(jié)構(gòu)圖,加工制作了小型化天線實物,如圖10所示。天線端口采用SMA結(jié)構(gòu)形式,外面使用低損耗特性輕質(zhì)塑料做外殼。
利用羅德斯斯瓦茨手持式頻譜分析儀FSH20中矢量網(wǎng)絡(luò)分析儀功能對天線S11和駐波比進行測試,得到結(jié)果分別如圖11 和圖12 所示。在圖11中,小型化天線-10dB 絕對帶寬達到175MHz(486MHz~661MHz),相對帶寬達到29%,達到超寬帶天線指標要求[15]。在圖12 中,天線電壓駐波比在483MHz~666MHz范圍內(nèi)均小于2。
圖10 天線加工實物圖
圖11 天線S11測試與仿真結(jié)果
圖12 實物天線電壓駐波比測試結(jié)果
在天線工作頻段內(nèi)選擇500MHz、600MHz、700MHz 三個頻點作為天線方向圖測試頻點,測試結(jié)果如圖13所示。
天線方向圖測試結(jié)果表明所加工得到的天線在測試頻點處,輻射能量大都集中在半空間內(nèi),滿足通信天線要求。
圖13 各頻點天線方向圖測試結(jié)果
本文采用集總電阻加載技術(shù)設(shè)計了一款用于集群通信的小型化天線。利用HFSS對所設(shè)計的結(jié)構(gòu)進行了建模仿真,仿真得到的-10dB 帶寬為500MHz~670MHz。加工制作了天線實物,實測天線-10dB 帶寬為483MHz~677MHz,與仿真結(jié)果一致性較好,并在微波暗室對500MHz、600MHz 和700MHz 三個測試頻點方向圖進行了測試,測試結(jié)果表明所設(shè)計天線滿足通信天線要求。