一種集總元件加載極端電小折疊單極子天線設計

趙之帆，陳 星

(四川大學 電子信息學院，四川 成都 610065)

0 引言

短波、超短波通信作為無線電通信的一種方式, 因其具有波長長、傳播和繞射能力強等特點, 在遠距離和復雜環境通信中具有重要的地位, 許多特殊場景以及航空通信中離不開短波和超短波通信[1-3]。由于短波和超短波的波長可達數米至上百米，導致常規電尺寸下天線物理尺寸極其龐大。在很多應用場景中，天線尺寸受到嚴格限制，而電小天線的特點是其電尺寸遠小于常規天線，因此，電小天線在許多天線尺寸受限場景中具有重要應用價值[4]。單極子天線是最普遍的一類天線[5-6]，這種天線相比于傳統半波偶極子天線而言，僅需要四分之一波長的電尺寸。因而采用單極子天線進行電小天線設計引起了人們重視。

1948年， Wheeler研究了電小天線的電磁特性并提出了電小天線的定義[7]；Chu和Harrington在此基礎上對電小天線做了更為全面的理論分析[8-9]；2005年， Mattioni通過加載電路的方式，設計了一款超寬帶電小折疊單極子天線[10]；2013年， Oh提出了一款頂部加載貼片電容的低剖面折疊單極子天線，實現了極端電小天線性能[11]。

微帶單極子天線作為微帶天線的一類，具有結構簡單、易于加工和集成等特點。其饋電網絡可與天線結構集成[12]，可通過微帶巴倫結構或是阻抗元件加載等方式實現阻抗匹配。同時，可采用高介電常數的介質基板實現微帶天線的小型化設計[13-14]。

本文提出一種新型微帶天線結構，該結構基于微帶單極子天線，通過增加電流路徑，拓展天線帶寬，并引入集總元件加載技術[15]，使天線具有極端電小特性以及超寬帶特性，并且在工作頻段內，天線具有良好的全向輻射特性。

1 天線結構設計

本文以微帶單極子天線為基礎，進行集總元件加載極端電小天線設計，天線設計過程如圖1所示。圖中綠色部分為覆蓋在介質基板上的接地共面波導及天線輻射結構，黃色部分為覆蓋在介質基板下面的金屬地。其中，圖1(a)為最初的微帶單極子天線，它是一種諧振式天線，對應工作模式為窄帶；將其延長彎折，并在輻射部分末端接地，形成如圖1(b)所示的折疊偶極子天線。為了增加天線工作帶寬，在圖1(b)的基礎上擴展了新的短路枝節，以引入高頻諧振點，使天線為雙頻模式，形成了微帶雙折疊偶極子天線，如圖1(c)所示。最終通過加載集總元件的方式，將天線的帶寬進一步擴展，并實現了極端電小的特性，如圖1(d)所示。

(a) 結構1

設計的天線仿真結構如圖2所示，圖中天線的長寬分別用L、W表示，L_a和W1分別是天線輻射部分的長和寬，微帶線的寬度為1.6 mm，L_gnd是介質基板背部金屬地的長度，介質基板的厚度為1.5 mm，L_cpw為接地共面波導長度，Gap_c為等效電容在微帶結構的開口寬度，Gap_l為安裝集總元件的預留寬度。

(a) 結構參數

天線采用50 Ω同軸線，由W_f1處的接地共面波導饋電，通過一小段漸變微帶線連接天線輻射部分。由于采用了接地共面波導，在天線輻射末端直接與接地共面波導相連，省去了過孔接地，避免了過孔對天線輸入阻抗的影響。天線參數如表1所示，阻抗元件值如表2所示。

表1 天線結構參數

表2 集總元件參數

2 天線仿真分析

對圖1(c)所示未加載阻抗元件的微帶雙折疊單極子天線結構進行仿真分析，其電壓駐波比(Voltage Standing Wave Ratio,VSWR)如圖3(a)所示，阻抗曲線如圖4(a)所示。由圖可知，天線對應的工作頻段為1.07～1.31 GHz和1.56～1.60 GHz，根據仿真結果，驗證了雙折疊單極子通過增加短路枝節，引入新的諧振點以實現拓展帶寬的可行性。進而，對天線模型進行加載阻抗元件，仿真的電壓駐波比結果如圖3(b)所示，阻抗曲線如圖4(b)所示，天線對應的工作頻段為0.17～0.91 GHz，通過加載阻抗元件，使得天線的電阻分量在0.17～0.91 GHz時維持在50 Ω附近，電抗分量在工作頻段內維持在-50～50區間內，因此天線具有良好的阻抗帶寬。

(a) 未加載阻抗元件模型VSWR圖

(a) 未加載阻抗元件模型阻抗曲線

由仿真結果得知，當未加載阻抗元件時，天線對應的電尺寸為0.33λ×0.14λ×0.005λ(其中，λ對應為1.07 GHz時的工作波長)，加載阻抗元件后，電尺寸為0.053λ×0.022λ×0.000 8λ(λ為低頻0.17 GHz處的波長)。從該仿真數據驗證得知，通過加載阻抗元件，極大地減小了天線的電尺寸，工作頻段內電壓駐波比均小于2。

3 天線加工測試

為了驗證設計的可行性，對圖1(d)的模型進行了加工實測，加工的天線模型如圖5所示。駐波測試環境如圖6所示。圖7為天線測試與仿真的駐波對比結果。測試了該天線在350 MHz、550 MHz、750 MHz的方向圖及增益。

(a) 天線實物圖正面

圖6 天線駐波測試環境

由圖7可以看出，該天線的測試駐波工作頻率范圍為200～910 MHz，圖8、圖9分別為天線在350 MHz、550 MHz、750 MHz測得的E面和H面歸一化方向圖。表3為天線在對應頻點處測得仿真與實測的增益結果對比，表4為天線H面方向圖的不圓度仿真和測試結果對比。觀察測試結果，天線在200～900 MHz內駐波均小于2，H面方向圖的不圓度在350 MHz、550 MHz和750 MHz處均小于1.2 dB，因而天線具有較好的全向輻射特性，天線測試結果與仿真結果吻合良好。

圖7 駐波仿真與測試對比圖

表3 天線增益仿真與測試結果對比

表4 H面方向圖不圓度

(a) 350 MHz

(a) 350 MHz

4 結論

本文設計了一款集總元件加載極端電小天線。該天線基于平面單極子天線基礎上，拓展電流路徑，形成折疊單極子天線；通過引入高頻諧振，增加短路枝節，進而擴展天線工作帶寬；最后，在平面雙折疊單極子天線的基礎上，通過阻抗元件加載技術，實現了具有超寬帶、極端電小特性的新型微帶天線。由加工模型測試的結果對比，該天線的仿真性能與實測性能吻合較好，驗證了該設計的可行性。