一種集群通信小型化寬帶天線設(shè)計(jì)*

易 波 李麗英 陳紫琪

（中國人民解放軍78118部隊(duì) 成都 610000）

1 引言

隨著移動(dòng)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(wù)融合等特點(diǎn)，另一方面又要求天線的體積小、質(zhì)量輕、成本低［1～2］。當(dāng)天線尺寸小于十分之一波長時(shí)稱為“電小天線”［3］。此類天線帶寬、阻抗匹配等問題是設(shè)計(jì)難點(diǎn)［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(jì)和制造簡單，在通信、雷達(dá)、導(dǎo)航等領(lǐng)域得到廣泛應(yīng)用［9～10］。本文瞄準(zhǔn)某型集群通信（550MHz～650MHz）天線小型化設(shè)計(jì)目標(biāo)，采用加載技術(shù)和微帶技術(shù)，設(shè)計(jì)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(shí)物，仿真與實(shí)測結(jié)果表明所設(shè)計(jì)天線具有良好的性能。

2 小型化天線設(shè)計(jì)

圖1 為本文所設(shè)計(jì)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(biāo)天線仿真模型，對集總電阻阻值從1000Ω至3000Ω進(jìn)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(dá)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(shí)工 作 帶 寬 為660MHz～790MHz，相 對 帶 寬 為17.9%。天線在700MHz 時(shí)天線遠(yuǎn)場方向圖如圖3所示。圖3表明天線遠(yuǎn)區(qū)輻射場全向性差。

圖3 天線E面和H面遠(yuǎn)場輻射方向圖

3 天線結(jié)構(gòu)優(yōu)化

將天線基板設(shè)置為正方形，相應(yīng)地減少了天線縱向長度，增加橫向?qū)挾取榱吮阌陴侂姡侂姸丝谠黾咏饘俚兀瑢㈦p線饋電更改為巴倫，實(shí)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(gè)磁振子型天線模型尺寸∕（mm，Ω）

對加載電阻R1、R2以及R3值進(jìn)行掃描，結(jié)果如圖5～圖7所示。

圖5 不同電阻R1 值時(shí)天線S11

從圖5～圖7 可以發(fā)現(xiàn)，隨著R1增大，天線諧振強(qiáng)度先增加后降低，在1697Ω最強(qiáng)；隨著R2增大，天線低端諧振頻點(diǎn)向下偏移，高頻段維持不動(dòng)；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(shí)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(shí)天線S11

圖7 不同電阻R3 值時(shí)天線S11

圖8 天線饋電端口S11和駐波比

選擇500MHz、600MHz、700MHz 三個(gè)頻點(diǎn)，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

4 測試結(jié)果與分析

按照圖4 天線結(jié)構(gòu)圖，加工制作了小型化天線實(shí)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(jìn)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(dá)到175MHz（486MHz～661MHz），相對帶寬達(dá)到29%，達(dá)到超寬帶天線指標(biāo)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(shí)物圖

圖11 天線S11測試與仿真結(jié)果

圖12 實(shí)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(gè)頻點(diǎn)作為天線方向圖測試頻點(diǎn)，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(diǎn)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(diǎn)天線方向圖測試結(jié)果

5 結(jié)語

本文采用集總電阻加載技術(shù)設(shè)計(jì)了一款用于集群通信的小型化天線。利用HFSS對所設(shè)計(jì)的結(jié)構(gòu)進(jìn)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(shí)物，實(shí)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(gè)測試頻點(diǎn)方向圖進(jìn)行了測試，測試結(jié)果表明所設(shè)計(jì)天線滿足通信天線要求。