C 波段垂直極化全向天線設計

趙國棟,周洪澄,朱雙雙,王 豫,嚴仲明

(西南交通大學 電氣工程學院,四川 成都 611756)

全向天線通常應用于移動通信以及多點通信,且常用垂直極化形式以降低信號能量在傳輸過程中的衰減程度[1-2]。根據具體應用要求,垂直極化全向天線在形式上有多種類型,包括雙錐天線[3-4]、盤錐天線[5]、平面單極子天線[6]、微帶陣列天線[7]等。雖然通過上述設計實現了全向垂直極化輻射,但對于平面結構,很難在寬帶范圍內保持良好的全向性;而對于立體結構,存在幾何尺寸較大、饋電結構復雜的問題。

套筒天線是單極子天線的一種變體[8],相對傳統的垂直極化全向天線,具備結構簡單、質量相對較輕、方向圖穩定和帶寬較寬等優點,其適用范圍也逐漸從短波、超短波天線發展到微波頻段[9]。目前為了滿足套筒天線寬頻段可靠增益的要求,通常的辦法是加粗振子[10]、端部加載[11]、雙套筒結構[12]、加載短路環[13]。Thomas 等[10]通過加粗輻射振子,然后調節饋電點的位置以達到一定的阻抗匹配程度,但是該天線需要較大的金屬地面,導致天線整體尺寸過大。劉楠楠等[11]通過在套筒低端加載環氧樹脂板和銅板,相當于引入一個電容,對天線輸入阻抗的虛部起到了抵消的作用,在一定程度上拓展了天線的阻抗帶寬,然而該天線工作于57～103 MHz,將該技術運用到微波頻段設計套筒天線時,由于天線尺寸較小,在端部加載環氧樹脂板和銅板的難度較大,會增大加工誤差。Yuan 等[12]采用的雙套筒結構通過引入一個新套筒可以增加天線的容性,改善高頻段時饋電點區域的阻抗匹配,擴寬工作帶寬,但同時也會使低頻段的匹配程度變差。Yang 等[13]所設計的套筒天線通過在內套筒和外套筒之間加載距離外套筒底部一定高度的短路環,當頻率變高時,天線輻射體上將會出現電壓波腹(反向電流),短路環會在一定的頻率范圍內抑制這種波腹點,從而可以抑制高頻反向電流作用,使得天線在高頻段水平方向有一定的增益。然而這種技術是基于雙套筒結構實現的,當運用到微波段的套筒天線設計時,由于天線尺寸較小,短路環難以固定,對加工精度要求較高。

本文針對上述問題,結合多種微波天線寬帶化方案[14-16],在輻射體頂端加載金屬圓盤、調節輻射體高度與金屬圓柱套筒高度比例、增加金屬圓柱套筒厚度,設計出一種新型的套筒天線。該天線僅由金屬圓盤、金屬圓柱套筒、SMA 接頭三部分組成,工作頻帶為3.75～8.31 GHz(相對帶寬為75.6%),完全覆蓋C 波段。最終通過樣品加工和測試,測試結果與仿真結果吻合。

1 天線的設計

1.1 天線結構及設計思路

首先,根據傳統套筒天線設計方法建立一個初步模型,然后在輻射體上加載金屬圓盤,相當于引入一個分布電容用于改善阻抗匹配,可以在不改變其他參數的情況下降低天線輻射體高度。同時,由于套筒天線的輻射與阻抗特性主要取決于輻射體高度與金屬圓柱套筒高度的比值,可以通過調節金屬圓柱套筒的高度,使輻射體高度和金屬圓柱套筒高度達到合適的比例,從而提升阻抗匹配程度。最后,通過增加金屬圓柱套筒的厚度代替雙套筒設計方案,降低加工難度。

圖1 為天線結構示意圖,主要由金屬圓盤、金屬套筒、標準SMA 接頭三部分組成。天線的金屬輻射體頂端與金屬圓盤的底面連接,底端與同軸饋線的內導體相連接,輻射體的高度為l1,為了盡量簡化設計,令其直徑與饋電同軸線的外徑相同,因此可以將金屬輻射體視為SMA 接頭的一部分。金屬圓柱套筒內徑為r2,長度為l2,厚度為t2,套筒直接與金屬地板連接。天線所用接頭型號為SMA-RKF4-p12.7-c1.7-d0.6-f8.6,法蘭盤邊長p為12.7 mm,為確保仿真與測試結果盡量一致,仿真過程使用的SMA 接頭參數與最終加工的實物接頭參數保持一致。

圖1 天線結構圖Fig.1 Antenna structure diagram

1.2 仿真與優化設計

圖2 為傳統的無金屬圓盤套筒天線與加載金屬圓盤后并不斷減小輻射體高度l1的回波損耗S11曲線,可以看出在加載金屬圓盤后,隨著l1減小,工作頻段逐漸拓寬,在l1=9 mm 時,l1相對于無圓盤時減小了約50%。

圖2 有/無金屬圓盤對天線S11的影響Fig.2 Influence of metal disk on S11 of the antenna

傳統套筒天線的輻射與阻抗特性主要取決于輻射體的高度與金屬圓柱套筒高度的比例,即l1/l2,一般取值會大于1.5[17]。但是通過加載金屬圓盤,等效加大了天線輻射體的長度,因此l1的取值需要減小。為了確定加載金屬圓盤后金屬圓柱套筒高度l2的最優值,圖3 給出了在輻射體高度l1=9 mm 的情況下金屬圓柱套筒高度l2對天線S11的影響。結果表明,l2逐漸從13 mm 減小到10 mm 時,天線高頻諧振點的頻率越來越高,且天線的S11≤-10 dB 的頻段明顯變寬,但是當l2接近10 mm 時,中間頻段的S11值接近-10 dB。因此加載金屬圓盤后,為了具有更寬的工作頻段且阻抗匹配特性較好,l1/l2的比值應略小于1。

圖3 金屬圓柱套筒高度l2對天線S11的影響Fig.3 Influence of metal sleeve height on S11 of the antenna

在套筒天線的設計中,需要考慮套筒外徑和輻射體半徑的比值對阻抗匹配程度的影響,前文曾提及可通過雙套筒結構并加載短路環來抑制高頻處表面電流分布,從而提升阻抗帶寬,但是此方案加工難度太大。下面研究金屬套筒厚度t2對天線回波損耗S11的影響,如圖4 所示。結果表明,套筒厚度t2從5 mm 逐漸減小到3.5 mm 時,低頻段的匹配程度更深,同時工作頻段也向高頻拓寬。當t2變化到3 mm 時,中間頻段會產生失配,這可能是由于金屬套筒厚度的影響相當于天線輻射體附加一個分布電容,當厚度太小時,分布電容補償不夠,從而產生較大的反射。由于t2=4.5 mm 時,天線的回波損耗S11在C 波段內滿足小于-10 dB 的指標,且諧振點在C 波段的中心頻點附近,因此在最終加工過程中,取t2=4.5 mm。綜上可得,通過調整套筒厚度,可以提供附加分布電容用來抵消天線電抗,從而改善阻抗匹配,同時在一定程度上避免設計雙套筒結構帶來的加工難度。

圖4 金屬套筒厚度t2對天線S11的影響Fig.4 Influence of metal sleeve thickness on S11 of the antenna

最終通過對天線模型的綜合優化,得到天線的尺寸參數如表1 所示,仿真得到端口阻抗如圖5 所示,可以看出在4～8 GHz 阻抗的虛部接近零,實部在50 Ω附近,阻抗匹配良好,因此在C 波段內超過50%頻帶其回波損耗S11小于-20 dB。

表1 套筒天線尺寸參數Tab.1 The dimensions of sleeve antenna mm

圖5 天線波端口阻抗曲線Fig.5 Antenna wave port impedance curves

2 仿真與實測結果分析

根據最終優化的模型進行樣品加工與測試,加工的樣品由標準SMA 接頭、鍍金圓柱套筒、鍍金圓盤焊接而成,如圖6 所示。采用Keysight N5224B 矢量網絡分析儀測試天線回波損耗S11曲線,同時在微波暗室中測試4,6,8 GHz 三個頻點E 面、H 面的增益方向圖。

圖6 套筒天線實物Fig.6 The physical diagram of sleeve antenna

2.1 S 參數

圖7 為套筒天線回波損耗S11仿真與實測曲線。可以看出,實物天線在3.73～8.48 GHz 頻段內S11≤-10 dB,相對帶寬為77.8%,與仿真結果3.75～8.31 GHz(相對帶寬75.6%)幾乎一致,均完全覆蓋C 波段。由于實際加工誤差以及測試環境的影響,實物天線的阻抗匹配程度不如仿真時,但是諧振點附近S11已經接近-30 dB,可以認為完全匹配。

圖7 天線的S11仿真與實測曲線Fig.7 Simulated and measured S11 curves of the antenna

2.2 輻射特性

圖8 為套筒天線仿真和實測的增益曲線,可以看出在C 波段內兩者基本上是隨頻率升高而增大,實測比仿真的增益低1 dBi 左右,這種差異可能源于接頭損耗、焊接誤差以及測試環境因素。圖9 給出了套筒天線在C 波段下限頻率4 GHz,中心頻率6 GHz和上限頻率8 GHz 三個頻段關于水平面(H 面)和垂直面(E 面)的仿真及實際測試歸一化遠場輻射方向圖。從仿真曲線可以看出天線表現出和單極子一樣的輻射特性,E 面呈現規則的“8” 字型,由于金屬地尺寸較小,在高頻端出現方向圖下傾,在H 面具有較好的全向輻射特性。實測過程中使用法國MVG公司設計的球面測試系統,測得的8 GHz 處的E 面方向圖存在傾斜,可能是波長隨頻率上升而減小,套筒外沿厚度對電磁波有向上反射的效應,但是從H 面方向圖可以看出,全向輻射特性良好,具備實際應用價值。

圖8 仿真和實測的天線增益Fig.8 Simulated and measured gain curves of the antenna

圖9 仿真和實測的天線方向圖Fig.9 Simulated and measured antennas patterns

3 結論

本文基于套筒天線結構設計一種微波段的全向天線。首先在輻射體頂部加載一個金屬圓盤,引入分布電容,使輻射體高度降低約50%。然后通過優化套筒高度提升阻抗匹配程度,并給出頂端加載金屬圓盤后輻射體高度與套筒高度比值的合適范圍。最后通過調節套筒厚度改善天線在C 波段的匹配程度,最終設計的天線可以在3.75～8.31 GHz 頻段內實現回波損耗S11≤-10 dB(相對帶寬為75.6%),可廣泛應用于移動基站這類要求天線具有水平全向輻射特性的場景。