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          高性能的微帶全向天線設(shè)計(jì)

          作者: 時(shí)間:2011-06-06 來(lái)源:網(wǎng)絡(luò) 收藏

          在移動(dòng)通信領(lǐng)域中,全向高增益天線有著廣泛的應(yīng)用。微帶交叉陣子天線作為一種全向高增益天線,以其結(jié)構(gòu)簡(jiǎn)單,匹配容易,便于批量生產(chǎn)以及造價(jià)低廉等優(yōu)點(diǎn)受到重視。一般的微帶交叉陣子天線如圖1所示,這種結(jié)構(gòu)在仿真和實(shí)測(cè)中,畸變比較嚴(yán)重,天線的也比較差。文獻(xiàn)給出了一種改進(jìn)的方案,將微帶天線的地面做成梯形結(jié)構(gòu),如圖2所示。這在一定程度上改善了天線性能。文中給出了該結(jié)構(gòu)天線的仿真和實(shí)物測(cè)試結(jié)果,以便與本文提出的作比較。文中所提出的如圖3所示。該天線除了采用微帶漸變結(jié)構(gòu)和電感匹配器外,還在天線的頂端加載了λg/4短路匹配枝節(jié)。仿真和測(cè)試表明,該天線同文獻(xiàn)中提出的天線相比較,具有更好的和更高的增益,是一種

          圖1 微帶交叉陣子天線示意圖

          1 微帶交叉陣子天線的基本原理

          微帶交叉陣子天線的基本結(jié)構(gòu)如圖1所示。將每段微帶傳輸線的地面看成同軸線的外導(dǎo)體,導(dǎo)帶看作同軸線的內(nèi)導(dǎo)體,其與傳統(tǒng)的COCO天線具有相似的結(jié)構(gòu)。同樣,微帶交叉陣子天線也是由多個(gè)λg/2的微帶單元級(jí)聯(lián)而成,天線的地面和導(dǎo)帶在介質(zhì)基片的兩側(cè)交替放置,從而利用交叉連接來(lái)實(shí)現(xiàn)倒相。由于交叉連接點(diǎn)的不連續(xù)性形成輻射,使得這種結(jié)構(gòu)存在兩種模式,即傳輸模和輻射模。對(duì)于傳輸模,由于波沿導(dǎo)帶和接地板的內(nèi)表面?zhèn)鬏?,而且微帶傳輸線是均勻的,所以在分析時(shí)不考慮空間的輻射。而輻射模,則是由于各接地板的交替處電壓源激勵(lì)起的輻射電流存在于接地板的內(nèi)外表面,從而形成輻射。同COCO天線一樣,微帶交叉陣子天線也是一個(gè)陣列天線。由陣列天線的基本理論可知,對(duì)于遠(yuǎn)場(chǎng)區(qū),天線的歸一化方向性函數(shù)為

          天線的增益為




          天線的增益為





          其中,η為天線的輻射效率;D為天線的方向性系數(shù)。



          2 微帶交叉陣子天線的設(shè)計(jì)與分析



          基本的微帶交叉陣子天線如圖1所示,實(shí)驗(yàn)證明,該結(jié)構(gòu)天線的畸變比較嚴(yán)重,而且?guī)?nèi)也不理想。為了改善天線的性能,將天線地板設(shè)計(jì)成梯形結(jié)構(gòu),并在每個(gè)微帶單元導(dǎo)帶的中間加載一個(gè)矩形貼片,用于對(duì)天線進(jìn)行調(diào)諧,此時(shí)的天線結(jié)構(gòu)如圖2所示,這在一定程度上改善了天線的阻抗特性。加載的矩形貼片相當(dāng)于1個(gè)電感器。假設(shè)該電感器的長(zhǎng)為l,寬為w,那么其等效電路的電感L如式(3)所示。





          其中,h為介質(zhì)板厚度;t是導(dǎo)體的厚度;Kg為校正因子,其經(jīng)驗(yàn)公式為



          從式(3)可以看出,在介質(zhì)板參數(shù)確定的情況下,矩形貼片的電感值主要由其寬度w來(lái)決定。

          圖2 頂端未加載天線示意圖

          微帶交叉陣子天線同COCO天線具有相似的結(jié)構(gòu)和相同的工作原理,因而它們具有相似的等效電路。圖2所示為微帶天線,每個(gè)微帶單元的等效電路如圖4所示,其中,R為等效輻射電阻;C為等效電容;L為等效電感。L包括微帶單元本身的電感和加載的電感。它們組成一個(gè)RLC諧振電路。在天線沒(méi)有加載矩形貼片之前,其特性阻抗呈現(xiàn)較大的容抗,因此,通過(guò)調(diào)整矩形貼片的寬度,改變加載電感的大小,以求得最佳的S11。

          圖3 頂端加載短路匹配枝節(jié)的微帶交叉陣子天線示意圖

          圖4 頂端未加載短路枝節(jié)時(shí)的天線的等效電路

          圖5給出了不同值時(shí)天線的S11。經(jīng)過(guò)優(yōu)化,當(dāng)w=6時(shí),此時(shí)的天線具有最佳的匹配性能。這時(shí)天線S11在帶內(nèi)-15 dB。

          圖5 頂端未加載時(shí)不同W值對(duì)應(yīng)的天線S11

          為了進(jìn)一步減小天線的能量反射,改善天線的輻射特性,在天線頂端加載了λg/4短路匹配枝節(jié),此時(shí)天線結(jié)構(gòu)如圖3所示。在天線頂端進(jìn)行加載后,每個(gè)微帶單元的等效電路如圖6所示,相當(dāng)于在微帶單元上并聯(lián)了一個(gè)導(dǎo)納。其中,R1為該微帶單元的等效輻射電阻;C1為等效電容;L1為等效電感;Y為頂端短路枝節(jié)的等效導(dǎo)納。

          圖6 頂端加載后天線的等效電路

          短路匹配枝節(jié)的導(dǎo)納Y對(duì)整個(gè)天線的阻抗匹配起到調(diào)節(jié)作用。從Smith圓圖得知,天線頂端未加載λg/4短路匹配枝節(jié)時(shí),在2 400~2 483.5 MHz,天線阻抗的實(shí)部介于37~46 Ω之間,加載匹配枝節(jié)后,天線特性阻抗的實(shí)部在47~58 Ω之間。而且天線阻抗的虛部也有明顯的變化,在要求頻帶內(nèi),其值更接近于0。圖7和圖8給出了兩副天線由CST仿真軟件得到的阻抗實(shí)部和虛部隨頻率變化曲線。從圖中可以看出,天線頂端加載λg/4短路匹配枝節(jié)后,天線阻抗實(shí)部明顯增加,虛部也比未加載時(shí)有減小。圖9給出了頂端加載短路匹配枝節(jié)后不同w對(duì)天線S11的影響。從圖中可知,當(dāng)w為6時(shí),在要求頻帶內(nèi),天線的S11-20 dB。

          圖7 天線阻抗實(shí)部隨頻率變化曲線

          圖8 天線阻抗虛部隨頻率變化曲線

          圖9 頂未加載后不同W值對(duì)應(yīng)的天線S11

          天線頂端加載λg/4短路匹配枝節(jié)后,天線上的電流分布隨之發(fā)生變化。當(dāng)波傳到天線頂端經(jīng)過(guò)λg/4單元時(shí),產(chǎn)生90°相移,經(jīng)過(guò)短路點(diǎn)時(shí),產(chǎn)生180°相移,再經(jīng)過(guò)λg/4地面時(shí),又產(chǎn)生90°相移。電流經(jīng)過(guò)短路匹配枝節(jié)后,產(chǎn)生了360°的相移。經(jīng)過(guò)移相后的電流就同原來(lái)的激勵(lì)電流具有相同的相位,從而對(duì)天線起到電流補(bǔ)償?shù)淖饔?,保持了天線上電流的平衡。

          天線的實(shí)物如圖10所示。天線采用厚度為1.5 mm,相對(duì)介電常數(shù)為2.65的介質(zhì)板,底部采用50 ΩSMA接頭饋電。在實(shí)際制作中,天線陣子長(zhǎng)度要略小于仿真長(zhǎng)度,這是由于材料的損耗引起的。一般而言,天線梯形地面的底邊長(zhǎng)λg/2,矩形貼片的長(zhǎng)略小于梯形地面的短邊長(zhǎng)。頂端的λg/4匹配枝節(jié)的長(zhǎng)度也要略小于天線工作波長(zhǎng)的1/4。


          圖10 天線的實(shí)物

          表 1和圖11分別給出了兩副天線實(shí)測(cè)增益和S11的對(duì)比。可以看出,天線頂端加載短路匹配后,天線的增益提高了1~1.3 dBi。這是因?yàn)椋敹思虞d短路匹配枝節(jié)后,改善了天線的阻抗匹配性能,提高了天線的輻射效率,減小了天線上能量的反射,使得每個(gè)微帶單元上所得到的輻射功率最大,充分利用了天線的口徑效率,從而提高了天線的增益。

          圖11 頂端加載和頂端無(wú)加載天線實(shí)際測(cè)量

          3 結(jié)束語(yǔ)

          兩副天線的CST仿真結(jié)果和實(shí)測(cè)結(jié)果基本吻合。實(shí)際測(cè)試結(jié)果與仿真結(jié)果對(duì)比后發(fā)現(xiàn),天線的實(shí)測(cè)增益均略高于由仿真軟件得到的增益,這主要是由于大地對(duì)天線的影響造成的。在天線頂端加載λg/4短路匹配枝節(jié)后,進(jìn)一步降低了天線的VSWR,提高了增益。天線實(shí)物采用7節(jié)微帶單元級(jí)聯(lián),總高度25 cm。實(shí)測(cè)平均增益達(dá)9 dBi,如果要獲得更高增益,可以在此基礎(chǔ)上采用更多的微帶單元進(jìn)行級(jí)聯(lián),是一種高性價(jià)比的微帶高增益全向天線。



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