陈军 万发雨

0 引言

随着通信技术的迅速发展,全向天线在卫星通信、移动通信和无线广播等领域得到了较为广泛的应用．同时,人们对全向天线的性能也提出了较高的要求,对体积小、带宽宽、不圆度低、增益高的全向天线需求量越来越大．因此,小型化宽带平面全向天线的研究与设计具有巨大的工程应用价值.

微带天线由于具有结构简单、制作方便和成本较低等优点,因而备受全向天线设计者的青睐．近年来,国内外学者设计了各式各样的微带全向天线,如文献[1]设计了一种新型宽带印制天线;文献[2]设计了一种用于WLAN的宽带全向平面微带天线;文献[3]设计的圆盘单极天线具有全向辐射特性,其背面采用了一块简单的矩形金属层作为接地板．为了提高天线的阻抗宽带,文献[4]提出了一种渐变形微带馈线结构的平面全向天线;文献[5]采用了方形接地板和改进型地板结构改善天线的驻波性能;文献[6]在天线表面加载了4个T型偶极子,并在振子馈电位置处增加梯形结构,从而达到了2.5 GHz的带宽,但是结构较为复杂,设计成本较高;文献[7]提出了一种工作在2.6～4.1 GHz频段的新型宽频带全向天线,该天线使用平行耦合双线实现交叉馈电,并加载巴伦拓展了天线宽带,天线尺寸为16 mm×90 mm;文献[8]采用巴伦馈电的偶极子作为天线基本单元,并引入平面喇叭和反射单元从而改善方向图不圆度,阻抗带宽为3.5～6.5 GHz,介质基板是直径为70 mm的FR4板．上述平面全向天线均没有实现小型化的特性,并且带宽和增益都非常有限．文献[9]提出的小型化全向天线是在一片直径仅有4 mm的介质板上设计紧凑的车轮形辐射结构,产生了一组工作在28 GHz频段的相互平行的电磁偶极子；文献[10]通过在超表面天线的方形贴片上引入一对容性负载支节,有效地降低超表面单元的工作频率,从而将传统方形贴片超表面单元的尺寸减小55%；文献[11]提出的天线辐射结构由一个4轴弧形贴片和直接馈电的金属柱组成,同时,贴片内环引入额外的弧形枝节,外环枝节的末端引入 4个短路探针来实现天线的小型化.

为了实现全向天线的小型化、低剖面、宽频带和馈电简单的特点,本文提出了一种新型小型化宽带全向天线,在30 mm×30 mm×0.813 mm的Rogers RO4003C基板上实现,整体结构简单、制作方便、成本低．基于HFSS电磁软件对平面全向天线进行仿真建模,引入Wil-kinson功分器改善天线的馈电网络,优化了微带馈线顶端的电流分布,提高了水平方向的电磁辐射,实现了较好的全向辐射特性．同时,本文也对背面的金属接地板进行改进,设计了一个瓶装接地板结构,实现了两个矩形贴片间良好的阻抗变换,从而提高了天线的阻抗带宽．实测结果表明:该天线可工作于C频段,具有良好的阻抗匹配特性,驻波比小于2的阻抗带宽为4 GHz,阻抗带宽内的天线增益大于2.3 dB,中心频点5.4 GHz处的增益为3.35 dB,中心频点5.4 GHz在天线辐射方向的不圆度小于3.50 dB,在天线辐射方向具有良好的全向辐射特性,可广泛应用于广播电视、卫星通信、移动通信和数据传输等领域.

1 天线结构

平面单极子天线是微带天线中比较简单的天线类型,传统圆形单极子天线的基础结构如图1所示,天线的大小为W×L,圆形辐射贴片直径为D,微带馈线的宽度为W1,接地板高度为L6,馈电方式是微带馈电,辐射贴片是圆形辐射器,接地板为矩形结构.

本文以传统的圆形单极子平面天线为基础,引入了Wilkinson功分器、渐变型微带馈线和瓶状接地板结构,设计了一款新型小型化宽带平面全向天线,其几何结构如图2所示.该天线正面的金属层主要由圆形辐射贴片、Wilkinson功分器、渐变型微带馈线组成,呈球拍状,背面为瓶状接地板结构．其中,矩形微带馈线确保天线与50 Ω同轴接头阻抗匹配,渐变型微带馈线实现了阻抗变换的作用,将50 Ω的微带线阻抗转化为100 Ω．此外,引入Wilkinson功分器从而在天线表面产生较强的水平电流分布,以便实现较好的全向辐射特性.

本文采用圆形单极子辐射贴片以便实现良好的全向辐射,对于单极子辐射贴片来说,金属接地板相当于阻抗匹配电路．该天线的金属接地板采用了弧形边缘的半椭圆形的瓶状金属接地板结构,从而实现了宽频段内良好的阻抗匹配.

2 平面全向天线的设计与分析

Wilkinson功分器的结构如图3所示[12],它与传统功分器的区别在于引入了一个隔离电阻R,可实现各端口的阻抗匹配、输出端口的高度隔离．其中,输入和输出的三端口特性阻抗均为Z0,功分器的二分支路是长度为L3的微带线.

由于L3为Wilkinson功分器二分支路的竖直长度,会影响平面全向天线的阻抗匹配，因此本文对参数L3的尺寸进行了优化.图4为L3分别取2.0、2.2、2.4 mm 时对应的驻波比仿真结果,明显可以看出,当L3=2.0 mm时,该天线的驻波比特性最佳.

基于HFSS软件获得了金属辐射贴片表面电流的分布情况,如图5所示,图5a和图5b分别为引入Wilkinson功分器前后的表面电流分布．如图5a所示,渐变型微带馈线与圆形单极子贴片连接处的表面电流分布不均匀,连接处左侧电流明显大于右侧电流,将导致该天线左侧的辐射特性优于右侧,天线方向图的不圆度将会恶化．明显可以看出:引入Wilkinson功分器之后,Wilkinson功分器与圆形单极子贴片连接处两侧的电流分布加强,两侧电流几乎相等,并且在天线表面产生较强的水平电流,提高了天线的全向辐射特性,降低了天线方向图的不圆度.

引入Wilkinson功分器前后,天线在5.4 GHz处全向辐射面(H面)的辐射方向图仿真结果如图6所示．明显可以看出:该平面全向天线未引入Wilkinson功分器时,天线的右侧辐射特性劣于左侧辐射特性;引入Wilkinson功分器后,天线全向辐射面的方向图不圆度降低了约1 dB,实现了较好的全向辐射特性.

此外,L和W分别表示介质基板的长度和宽度,D是圆形单极子贴片的直径,圆形单极子辐射贴片用于实现良好的全向辐射．对于单极子辐射贴片来说,金属接地板起到了阻抗匹配电路的作用,L6是金属接地板的长度,不同尺寸的L6将会改变Wilkinson功分器与金属接地板顶端的间隙．因此,参数D、L6对该平面全向天线的驻波比特性影响较大,因此本文对参数D和L6进行了优化.参数D分别取11.5、12.0、12.5 mm 时对应的驻波比仿真结果如图7所示,当D为12.0 mm时,天线驻波比小于2的带宽较好．确定D为12.0 mm后,参数L6分别取12.5、13.0、13.5 mm时对应的驻波比仿真结果如图8所示,明显可以看出,当L6为13.0 mm时,天线驻波比小于2的带宽达到4 GHz,此时该天线的驻波比特性最佳,具有较好的阻抗带宽.

为了满足平面全向天线体型小、带宽宽、增益高和不圆度低的设计要求,本文基于HFSS软件对微带馈线段、阻抗过渡段、Wilkinson功分器、圆形单极子贴片和金属接地板的结构参数进行优化设计,得到了天线结构的最佳尺寸如表1所示.

表1 天线结构尺寸Table 1 Structure size of antenna mm

3 平面全向天线的实验研究

平面全向天线的仿真优化完成后,在30 mm×30 mm×0.813 mm的Rogers 4003C基板上加工实物,该天线的实物图如图9所示.

使用矢量网络分析仪测得的驻波比曲线如图10所示,可以看出该平面全向天线驻波比小于2的阻抗带宽是3.4～7.4 GHz,实测结果与仿真结果基本吻合．天线增益的实测结果与仿真结果如图11所示,整个阻抗带宽内的增益为2.3～3.35 dB,5.4 GHz的增益为3.35 dB．由于介质基板和射频接头存在功率损耗,故实测结果略低于仿真结果.

在全向辐射面xoz面内,该平面全向天线5.4 GHz的辐射方向如图12所示．仿真结果表明,5.4 GHz的增益为3.52 dB,不圆度为2.88 dB．实测结果表明,5.4 GHz的增益为3.35 dB,不圆度为3.47 dB.由于天线加工误差的存在,实测结果略差于仿真结果.

4 结束语

本文提出了一种新型小型化宽带平面全向天线,天线尺寸仅有30 mm×30 mm×0.812 mm,该天线正面金属层采用渐变型微带馈线馈电,引入Wilkinson功分器改善了天线的馈电网络,优化了微带馈线顶端的电流分布,从而提高了天线的全向辐射特性;金属接地板呈瓶状结构,实现了宽带内良好的阻抗匹配．实测结果表明该平面全向天线实现了4 GHz的阻抗带宽,全向辐射特性较好,不圆度较低.