天线结构与仿真分析

 

双频小型化天线设计原理

 

图1为远端机天线安装结构图，可见对天线尺寸要求较低，金属地宽较窄。对辐射特性的要求是垂直极化和全向性。为了进行全面的信号覆盖，单极子天线是设计的首选。单极子需要四分之一的波长高度，信号需要覆盖GSM900频段，然后在频率F0(波长)工作λ)传统的单极子高度h为h=λ/4=c/(4×f0)≈在83mm(1)型中，C是真空介质中的光速。高度显然太大了。降低单极子高度的方法有很多，其中最经典的方法就是顶部加载[2]。然而，直接加载有两个缺点：一是对单极子的辐射性能影响很大，直接导致全向性差，限制金属地面尺寸（金属地面较小），2.5GHz或更高频点方向图甚至零；二是影响高频段天线的辐射性能和阻抗特性，使S参数发散。为此，本文根据寄生耦合[4]的原理，设计了单极子顶部通过寄生耦合加载的低剖面天线。通过调整加载耦合的大小，不仅调整了天线的阻抗带宽，而且减少了加载板对单极子方向图的影响，以确保其全面性。由于椭圆形单极子可以在宽带中获得良好的阻抗特性，因此选择椭圆形金属片作为单极子的主辐射体[5]。如图2所示，椭圆铜片为单极子主辐射体，厚度为0.5mm。单极子辐射体的顶部是寄生耦合的单面环氧板，寄生板两侧的不对称是为了调节阻抗特性的稳定性。单极子顶部高于加载板上表面1mm，调整高度对耦合尺寸有一定影响，但主要耦合尺寸为调整图2(b)长L和宽W在中顶覆铜层中的耦合矩形。单极子底部通过微带馈电网络匹配馈电，板材介电常数为2•FR4的65厚度为1mm。天线位于190毫米处×40毫米金属地的中心。整个天线高度为35mm，约900mHz频点0•1个波长。

 

2仿真分析

 

该设计采用仿真软件AnsoftHFSS13.0建模仿真。通过调整加载板上耦合矩形的长L和宽W，天线的S参数更加收敛，然后通过匹配电路进行匹配。最终调整到耦合W=3mm，L=22mm。图3显示了其模拟的驻波比。可见，其在824~960mHz和1710~2690mHz频带内的驻波基本小于2。由于垂直高度的限制，高频驻波带宽比低频要宽，低频带阻抗特性发散，难以匹配。

 

实物测试

 

根据仿真模型制作天线实物，并用PVC(PolyvinylChloride)材料制作相应天线罩的实物，如图4所示。图5显示了Agliente5071C的实测驻波结果。驻波带宽为811~1050mHz/1580~2660mHz。与模拟结果不同，这是由于软件建模及其计算过程的理想化处理，实际生产和组装也存在一定的工差。天线在微波暗室中进行了相应的方向图测试，其在0.91gHz和2.3gHz处的水平面方向图模拟与测试结果对比如图6~7所示。从上图可以看出，实测在0.91gHz和2.3gHz处分别具有2.25dB和3.37dB的增益，具有良好的全向性。天线模拟与实测方向图一致。综上所述，可以看出，低剖面天线的实际测试电路参数和辐射参数满足设计指标要求和功能要求。

 

结论

 

本文根据耦合加载的思想，设计了分布系统中远端机的低剖面小型化天线。与传统的全向天线相比，它在小金属地面和低剖面条件下提供了宽频段信号覆盖。基于软件仿真结果，实物测量，测试结果基本满足设计指标要求和功能要求。该设计具有良好的实用价值，为小型宽带全向天线提供了参考。下一步研究的重点是尽可能减小天线尺寸，以适应远端机系统的小型化发展，并将其驻波比优化为1•5以下。