一種加載可變電感的電小單極子天線設計

魏 聰，陳 星

(四川大學 電子信息學院，四川 成都 610065)

0 引言

印刷單極子天線[1-3]由于其低成本、低剖面[4-6]、易于制造以及其全向輻射方向圖特性而被廣泛應用于各種通信中。隨著無線通信技術的不斷發展，對于收發信號的天線也提出了更高的要求，龐大笨重的天線顯然無法滿足實際需要。例如在一些短波/超短波無線通信的應用場景中，人工背負通信設備對天線尺寸就有十分嚴苛的要求，要求設計為便攜天線。由于短波/超短波的波長可長達數米至數百米，為了便于攜帶就必須將短波/超短波天線設計為電小天線[7-8]，即天線尺寸需要遠小于工作波長，才能便于集成和縮小占地空間。

目前國內外已經提出了很多方法來減小天線的尺寸，Choi等人提出了用于VHF頻段的小型折疊偶極子天線[7]，使用折疊技術減小天線的物理尺寸。一些研究中使用了具有超材料加載[8]和開槽接地結構的方法使天線小型化[9-10]。另外還有使用高介電常數的介質基板、輻射元件的分形、缺陷微帶結構(DMS)、缺陷接地結構(DGS)或它們的組合來縮小天線的尺寸[11-15]。

本文使用了開槽、彎曲折疊線以及電感加載[16]的組合方法設計了一種頻率可變的電小單極子天線，通過在彎曲折疊線的基礎上加載電感，進一步降低了天線諧振頻率，為天線的小型化提出了一種新的設計思路。

1 天線結構設計

在電小天線的設計過程中，設計圍繞的核心是如何在有限的天線結構上，引入更長的電流流動路徑，從而使得天線的工作頻點降到更低的頻段，實現小型化。本文的設計思路是在不增大天線物理尺寸的前提下，對輻射貼片進行開槽和彎曲折疊來延長輻射貼片上的電流流動路徑，然后通過電感加載抵消低頻處的容抗，通過改變電感值來調節天線工作頻點，從而實現單極子天線的寬帶變頻以及小型化。

天線結構示意圖如圖1所示，在傳統的單極子天線基礎上，進行了開槽和引入彎曲折疊線，從而增加天線表面的電流流動路徑。貼片和接地平面由厚度為0.035 mm的銅片制成，通過50 Ω微帶線連接SMA接頭進行饋電。

(a) 天線正面

對天線部分結構參數進行了掃參分析，分別是天線背面地的長度Lg、饋電微帶線的寬度W4、輻射貼片寬度W1，掃參結果如圖2～圖4所示。

由圖2～圖4可以看出，隨著天線背面的地長度Lg的增大，諧振點逐漸上移，較小的Lg有利于降低端口的回波損耗，但同時也降低了天線輻射增益。對于W1和W4而言，W1和W4越小，諧振點越向低頻移動，諧振深度同時也在降低。

圖2 不同Lg對天線|S11|的影響

圖3 不同W1對天線|S11|的影響

圖4 不同W4對天線|S11|的影響

經過對各個參數的掃描優化后，考慮到天線工作頻點的|S11|要在-10 dB以下，并兼顧天線的輻射增益、更低的諧振頻率。選取了分別對應與天線性能最優的數值進行彎曲折疊單極子天線的設計，天線的結構參數如表1所示。

表1 天線結構參數

2 天線的電感加載

在天線結構上進行改進后，的確會使天線的電尺寸得到縮小。但在不改變天線尺寸的前提下想要進一步縮小天線，再從結構上下功夫會較為困難。此時可以借助集總元器件的特性，在輸入阻抗中對呈現感抗的頻點進行容性加載，又或是在輸入阻抗中對呈現容性的頻點進行感性加載，這樣的好處是可以不改變原有天線的結構，而是通過外加的電容電感去抵消天線輸入阻抗中的電抗，從而使天線諧振點往低頻移動。

上節中設計的彎曲折疊單極子天線的輸入阻抗特性曲線如圖5所示，可以看出在350 MHz之前，天線的阻抗虛部都是呈容性，所以可以使用電感加載來抵消低頻段的容抗，使得天線諧振點向低頻處移動。

圖5 天線的輸入阻抗特性曲線

查看天線表面的電流分布，如圖6所示，發現在第一段彎折線入口處，天線有較大的電流。在電流較大的地方，輻射性能也會比其他地方更強，于是在此處切開一個1.5 mm的槽，嘗試進行感性加載來補償天線低頻處的容抗，使諧振點向低頻移動，達到小型化的目的。

圖6 天線表面電流分布圖

在第一段彎折線入口處加載了不同感值的電感后，天線的|S11|曲線如圖7所示，圖7給出了仿真中電感值在1～90 nH的不同電感數值下，天線的|S11|曲線的移動情況。

圖7 仿真加載不同電感值對天線|S11|的影響

仿真結果表明，進行電感加載后天線的諧振點向低頻端移動，頻率變化的帶寬(|S11|<-10 dB)為390.7～282.5 MHz，這說明引入的電感補償了低頻處的容抗，使得天線諧振點向低頻移動。

3 天線加工與實測

為了驗證仿真設計的準確性，對天線進行了實際的加工測試，介質基板采用厚度為1.5 mm的Rogers4003，介電常數為3.55，損耗角正切0.002 7。天線的加工實物圖如圖8所示。

(a) 天線正面

然后對天線進行了端口反射系數的測試，由于該天線為電小天線，所以在測試過程中要避免人體離天線太近，避免手拿天線進行測試。測試儀器為安捷倫型號的矢量網絡分析儀，進行矢網校準后將天線和同軸線連接到一起，然后將天線放置到泡沫架上，等待數據穩定后保存數據，與仿真數據進行對比。圖9天線仿真和實測的|S11|對比曲線。在誤差范圍內，可以認為仿真和實測基本一致，存在一些頻率偏差的原因可能是加工精度未達到仿真要求、SMA接口處的焊接誤差等。

圖9 仿真與實測|S11|對比

天線在395 MHz頻點處的仿真和實測方向圖如圖10所示，天線具有全向輻射特性，最大輻射增益可達1.2 dBi。

(a) E面方向圖

如圖11所示，在天線中間的第一段彎折線處進行了電感加載實測，此處空出了1.5 mm的空隙，便于焊接電感器件。

圖11 加載電感的天線實物圖

實測加載不同電感值的天線|S11|曲線如圖12所示，可以看到，隨著電感數值的增大，天線諧振點也在逐漸向低頻處移動。天線諧振頻率從無加載的373 MHz，經過加載電感后，最低諧振頻率為267 MHz，實現了106 MHz的變頻帶寬，實測結果和仿真結果存在一些偏差，主要原因可能是電感焊接處有虛焊，但總體上仿真結果和實測結果吻合。

圖12 實測加載不同電感值對天線|S11|的影響

天線加載15 nH電感后，在諧振點362 MHz處的二維方向圖如圖13所示。

(a) E面方向圖

4 結論

通過彎曲折疊、引入開槽孔，并在彎折線前端加載電感的方式，設計了一款小型化頻率可變的電小單極子天線。天線通過加載不同電感值的電感器件，諧振頻率從373 MHz降低到了267 MHz，實現了106 MHz的變頻帶寬，天線最小電尺寸為0.089λ。天線具有全向輻射特性，最大輻射增益可達1.2 dBi，該天線的設計為天線的小型化以及變頻寬帶工作提供了一種新思路。