带寄生单元宽带单极子天线研究

带寄生单元宽带单极子天线研究 ------------------------------------------------------------------------------------------------ 带寄生单元宽带单极子天线研究 第23卷 第6期 2008年12月 CHINESEJOURNALOFRADIOSCIENCE 电 波 科 学 学 报 23,No.6 Vol.December,2008 文章编号 1005-0388(2008)06-1079-06 邱景辉 王楠楠 钟玲玲 邓维波 (哈尔滨工业大学,电子与信息技术研究院,黑龙江哈尔滨 150001)m* 摘 要 提出并设计了一种带寄生单元宽带单极子天线,该天线由 一个单极子天线附加两个寄生振子组成。仿真及实验结果证明:天线 在保持单极子天线特性的同时,实现了其宽带特性。该天线在 750~2240MHz的频带内反射损耗小于-10dB,具有水平全向的方向图、 稳定的增益。天线的结构和电特性决定了天线有广阔的应用前景,非 常适用于移动通信终端设备,作为手持终端天线和车载天线将大有可 为。关键词 宽带天线;带寄生单元单极子天线;手持终端天线 中图分类号 TN82 文献标志码 A Researchofwide-bandmonopoleantennawithparasiticelements QIUJing-hui WANGNan-nan ZHONGLing-ling DENGWe-ibo (Electronic&CommunicationEngineering,HarbinInstituteof Technology,HarbinHeilongjiang150001,China) Abstract Anovelwide-bandmonopoleantennawithparasiticelementsisproposedint—————————————————————————————————————— ------------------------------------------------------------------------------------------------ hispaper.Itsstructureandfeedingmethodarebothsimple.Simulationandex-perimentresultshowthatthisnovelantennarealizewidebandwithoutlosinganyothergoodcharacteristics.From750MHzto2240MHz,thereturnlossislessthan-10dB,andithasomnidirectionalradiationpatterninhorizonplane,stablegain.Itisverysuitableforwirelesscommunicationdevicesbecauseofitsstructureandelectriccharacteristics,andcanbewidelyusedastheportableterminalantennaandvehicleantenna. Keywords broadbandantenna;monopoleantennawithparasiticelements;hand-heldterminalantenna 线结构过于复杂就是馈电网络设计复杂。单极 子天线具有结构简单,体积小,易于加工、安装以及 全向辐射等特点,但是在宽频段上,有限高无加载单 极子天线的带宽相对较窄。本文所研究的带寄生单 极子宽带天线将馈电振子和两个寄生振子按照一定 方式排列,通过对其阻抗特性和辐射特性等参数的 理论分析、仿真和实验研究,表明此天线在保持单极 子天线优良特性的同时,利用其巧妙的构思与设计, 实现了其宽带特性。[1~6]引 言天线是无线通信系统中非常重要 的组成部分。随着无线通信技术的不断发展,无论是军事通信系统还 是民用通信系统,不仅要求高质量地传输语音、数据和图像等信息,同 时还要求通信系统宽带化。与此相适应,通信系统中的天线也要求宽 —————————————————————————————————————— ------------------------------------------------------------------------------------------------ 带化。传统的超宽带天线,如对数周期天线、阿基米德螺旋天线、等角螺旋天线以及它们的变形等,不是天 *收稿日期:2007-12-271 基金项目:十一五预研项目 1080电 波 科 学 学 报第23卷 1 天线基本结构及理论分析 1.1 天线基本结构 如图1,天线由一块地板和垂直于地板半径为r的三个振子组成,天线采用同轴馈电的方式,中间振子长度为h,对其馈电,两边的振子长度为l,直接和地板相接,两边振子和中间长振子的距离为w 。 可以将一个振子看成是两个单元,分别处理。这样,整个天线系统可以看成是由6个单元所组成。其中am是单元m的半径,hm是单元m端点的相对坐标(以其参照点为原点),Dm是单元m接电源点(或负载点)的相对坐标(以其参考点为原点),b是振子间的最小距离,k0是自由空间的波数,其值为2P/K0,K0 是波长。 图1 带寄生单元宽带单极子天线模型 1.2 天线理论分析 通过介绍天线的思想来源,定性分析带寄生单元宽带单极子天线能够实现宽带的归结点和其初始模型。进而对该天线进行严格的电磁理论分析,分析了天线的尺寸参数和性能参数的关系,从而得到带寄生单元宽带单极子天线的设计 方法 快递客服问题件处理详细方法山木方法pdf计算方法pdf华与华方法下载八字理论方法下载 。1.2.1 天线设计思想来源 —————————————————————————————————————— ------------------------------------------------------------------------------------------------ 当对数周期天线S取值接近1时,若在(f-Sf)频带内,天线电性能的变化很小,则天线有很好的超宽频带特性。 对数周期天线馈电后,电磁能量将沿集合线,依次对各振子激励,通常可将LPDA分为传输区、辐射区和未激励区。其中只有辐射区的振子输入阻抗较低,振子上电流较大,整个天线的辐射主要由这部分振子产生。 在LPDA中,不同频率的高频电磁能量是由天线的不同部分辐射,当频率由高向低变化时,辐射区沿LPDA由短振子一侧向长振子一侧移动。频带低端取决于长振子臂长;频带的高端取决于短振子的臂长。根据对对数周期天线的研究,启发了我们设计一种新的宽带天线的方法,其过程如图2(a)所示。 1.2.2 天线电磁特性分析及设计方法 带寄生单元宽带单极子天线是对数周期天线的一种演变形式,所以,根据天线设计的思想来源,可以将对带寄生单元宽带单极子天线的电磁分析抽象为对如图2(b)所示的天线阵的分析。 采用逐步逼近法来求解各单元上电流分布所必须满足的积分方程组,得到各振子单元的电流分布,观察其表达式会发现电流分布是下列变量的函数 Im(zm)=f(h1,h2,a,b,Di,ej) i=1,2,3,4,5,6;j=1,2,3 对于带寄生单元宽带单极子天线来说 Di=0,i=1,2,3,4,5,6ej=0,j=2,3 —————————————————————————————————————— ------------------------------------------------------------------------------------------------ (2)(1) Im(zm)=f(h1,h2,a,b,e1)其中e1是加到中间长振子上的电压。 天线的输入阻抗是天线的一个主要指标,带寄生单元宽带单极子天线的输入阻抗就可以表示为 Zin= 11 =I1(D1)f(h1,h2,a,b,e1) (4) 1081 (3) 当输入电压选择频段(fL,fH)(其中fL=c/4h,fH=c/4l,c为自由空间光速)上的频点,然后代入式 (4)中求输入阻抗,发现在这个频段内带寄生单元宽带单极子天线的输入阻抗的实部和虚部分别在508和08附近波动。 通过对图2(b)所示的带寄生单元宽带单极子天线等效天线的分析,我们可以得到带寄生单元宽带单极子天线的设计方法。即天线的尺寸决定了天线各个频点的输入阻抗,反之,要使天线在某个频段上的输入阻抗为某值,天线的尺寸也将随之确定。对带有寄生单元单极子宽带天线采用508同轴馈电,要求天线在频带(fL,fH)上的反射损耗能够小于-10dB,那么带寄生单元宽带单极子天线的各结构参数随之基本确定,见表1。 由于在各个工作频段,能实现最大带宽的最佳振子耦合距离是不—————————————————————————————————————— ------------------------------------------------------------------------------------------------ 同的。在确定天线各元素的具体尺寸中,表中公式仅作为理论参考,在制作和测试的过程中还需加以修正。 表1 反射损耗小于-10dB时天线参数地板半径r馈电振子长度h寄生振子长度l比例因子S 0.1@ [r[0.15@ fL+fHfL+fH ch= 4fLcl= 4f HS= h 图3 手持终端天线模型 2.1 宽带通信手持终端天线电特性分析 2.1.1 反射损耗和输入阻抗 图4(a)为手持终端天线的反射损耗随频率变化的仿真结果,图4(b)为仿真得到的该天线输入阻抗的实部和虚部。由图4(a)可见,在750~2240MHz的宽频率范围内,天线的反射损耗均小于-10dB。由图4(b)可见,在750~2240MHz的频带内,天线输入阻抗的实部即输入电阻波动较平缓,均值约为508;输入阻抗的虚部即输入电抗波动平 2 天线仿真研究 为了突出带寄生单元宽带单极子天线的实用性,以带寄生单元宽—————————————————————————————————————— ------------------------------------------------------------------------------------------------ 带单极子天线为基础,馈电方式不变,结构稍做变化,设计了一种宽带通信手持终端天线,如图3。该手持终端天线大小为50@20@170mm,在外形和性能上都满足移动通信手持终端对天线的要求。我们采用基于优化的有限积分数值 o 法的软件包CSTMicrowaveStudioR对手持终端天线进行仿真,详细研究了其阻抗特性、辐射特性等,并结合仿真结果,分析了尺寸参数对于天线性能的影响。 图4 反射损耗和输入阻抗仿真结果 1082电 波 科 学 学 报第23卷 缓,均值约为108。可见,这种手持终端天线具有将近3B1的阻抗带宽。2.1.2 辐射方向图 一般来说,高频端方向图易迅速恶化,它往往是限制上限工作频率fH的主要因素。图5是手持终端天线在800MHz、900MHz、1800MHz和1900MHz的天线远场方向图仿真结果。可见随着频率的上升,E面的方向图变化较大,而H面的方向图变化却不明显, 保持全向的特性。 图6 手持终端天线增益随频率变化关系 dB,变化幅度在4dB以内;在1.3~1.8GHz范围内,增益稳定在4.5dB左右,上下浮动不超过0.5dB,最大增益在整个频带内具有良好的稳定性。2.2 尺寸参数对天线性能的影响 2.2.1 馈电振子长度h对天线反射损耗的影响 —————————————————————————————————————— ------------------------------------------------------------------------------------------------ 馈电振子表面是电流的主要分布区域之一,它的长度变化对天线的阻抗带宽有很大的影响。单极子天线是一种谐振天线,馈电振子在反射损耗小于-10dB的频率范围内有其对应的谐振频率,如图4(a)所示,低频端的谐振点对应频率的波长是4倍馈电振子长。图7是馈电振子长度分别为h1和h2时的反射损耗,其中h2<h1。当馈电振子的长度h减小,谐振点A向高频移动, 阻抗带宽减小。 图5 手持终端天线辐射方向图 图7 馈电振子长度为h1和h2时反射损耗 仿真结果比较 2.1.3 增益 宽带天线的增益是衡量其好坏的重要指标。天线的增益带宽是指增益下降到允许值的频带宽度。通常定义增益下降到工作频带内最大增益值的50%时,相应的频带宽度为3dB增益带宽。频率降低,天线电尺寸变小,增益下降较明显,因此,该项指标往往限定了天线的下限工作频率。手持终端天线的最大增益随频率变化的仿真结果如图6。从图中可以看出,当频率在750~2240MHz范围内,随着频率升高,天线的电尺寸变大,天线的增益增加明显。其最大增益范围约为1.85~5. 85 2.2.2 寄生振子长度l对天线反射损耗的影响 寄生振子表面也有电流分布,对天线反射损耗有较大影响。和馈电振子类似,寄生振子在反射损耗小于-10dB的频率范围内也有其对—————————————————————————————————————— ------------------------------------------------------------------------------------------------ 应的谐振频率,如图4(a)所示,高频端的谐振点B对应频率的波长是4倍寄生振子长。图8是寄生振子长度分别为l1和l2时的反射损耗,其中l2>l1。可以得到当寄生振子的长度l变大,谐振点B会向低频移动,阻抗带宽变窄。 图10 振子间距离分别为w1和w2时 图8 寄生振子长度为l1和l2时 反射损耗仿真结果比较 反射损耗仿真结果比较 2.2.3 振子半径r对天线反射损耗的影响 通过加粗或等效加粗振子的截面,可以改善天线的阻抗频率特性。图9是振子半径分别为r1和r2时的反射损耗图,其中r1>r2。随着振子半径r的加粗, 可以获得更宽的阻抗带宽。 小200M左右。载体横截面的长度和宽度均不宜过大,一般选择略大于三个振子安放尺寸即可。 3 宽带通信手持终端天线实验研究 根据上述对宽带手持终端天线的理论分析与仿真,结合实际应用制作了一个手持终端天线,天线结构如图11所示。为了保证结果的准确性,各参数测 量在 标准 excel标准偏差excel标准偏差函数exl标准差函数国标检验抽样标准表免费下载红头文件格式标准下载 微波暗室中进行。 图9 振子半径为r1和r2时反射损耗 仿真结果比较 —————————————————————————————————————— ------------------------------------------------------------------------------------------------ 2.2.4 馈电振子和寄生振子之间距离对天线反射 损耗的影响 寄生振子是不对其馈电通过耦合产生电流,产生的电流又影响馈电振子的电压和电流分布,从而影响输入阻抗。馈电振子和寄生振子间的距离w的变化对天线反射损耗的影响很大,找到能够实现最大阻抗带宽的最佳耦合距离很重要,当馈电振子长度h和寄生振子长度l确定后,w的值一般能够确定。w的变化使阻抗带宽变窄。图10是馈电振子和寄生振子之间距离分别为w1和w2时的反射损耗,其中,w1为仿真的最佳耦合距离。2.2.5 载体尺寸对天线反射损耗的影响 当载体高度略大于馈电振子与寄生振子长度和的一半时,反射损耗小于-10dB的带宽最大,并且随着载体高度的增加,工作频带略向低频端移动。当载体高度小于最佳高度20mm时, 上限频率将减 图11 手持终端天线实物图 3.1 天线反射损耗的测量 图12表示的是采用Anritsu公司的S331D天馈线测试仪测量的手持终端天线的反射损耗结果与仿真结果的比较。可以看出该天线具有约为3B1的阻抗带宽,下限频率为735MHz,上限频率为2300MHz。测量结果与仿真计算结果吻合得很好。3.2 天线增益测量 测量所用仪器有:矢量网络分析仪(安立37247D,20GHz);辅助半波振子天线;508同轴电缆。通过测量并与标准喇叭天线对比之后,测得手持终端天线在900MHz、1300MHz和1900MHz时的增益分别为2.4dB、—————————————————————————————————————— ------------------------------------------------------------------------------------------------ 4.1dB和5.2dB。 图13为手持终端天线在900MHz、1300MHz 1084电 波 科 学 学 报第23卷 和1900MHz的H面方向图测量结果。发现其H 面方向图基本保持全向,和仿真结果符合得很好。 4 结论 提出一种新型宽带天线)))带寄生单元宽带单 极子天线,并详细地研究了带寄生单元宽带单极子 天线的特性。仿真及实验结果表明,该天线在750 ~2240MHz的频带内,反射损耗小于-10dB,具 有3B1的阻抗带宽,水平全向方向图,稳定的增益。 并且体积小,适用于移动通信终端设备。 参考文献 [1] BOAGA,MICHIELSSENE.DesignofElectrically LoadedWireAntennasUsingGeneticAlgorithm[J]. 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ZhangFS,WangJ,JiaoYC.Onthefan-shapedarray ofdualLPDAs[J].ChineseJournalofRadioScience, 2007,22(1):104-1071 邱景辉 (1960-),男,黑龙江 人,哈尔滨工业大学电子与信息技 术研究院,教授,博士,系副主任,主 要研究方向为超宽带天线技术、脉 冲辐射天线技术、高功率电磁脉冲 技术、机载弹载天线技术、被动毫米 波成像技术、邻近空间高速飞行器通信技术等 。 王楠楠 (1982-),女,吉林 —————————————————————————————————————— ------------------------------------------------------------------------------------------------ 人,博士生,哈尔滨工业大学电子与 信息技术研究院,主要从事毫米波 成像技术,微波毫米波天线研究。 E-mail:wnn610@163.com ——————————————————————————————————————