低剖面超寬帶錐形天線等效電路的研究.docx

1、低剖面超寬帶錐形天線等效電路的研究周亦軍(海軍駐武漢438廠軍事代表室,430060)摘要：本文應(yīng)用基于Fostercanonical模式的等效電路對一個用于無線通信的低剖面,超寬帶，錐形天線進行了物理層次的分析。這個天線是由一個傳統(tǒng)的錐形天線，一個寄生環(huán)和一個套筒組成。此天線可成功覆蓋747MHz6000MHz且其高度只有低頻(747MHz)的0.0625個波長。本文的主要目的是建立一個集總參數(shù)的等效模型去模擬此天線的輸入阻抗變化，以此來解釋此天線的工作原理及其主要組成部分的作用。將等效電路結(jié)果對比全波電磁仿真結(jié)果，得到了很好的一致性。關(guān)鍵詞：低剖面；等效電路；寬帶；錐形天線中圖分類號：TN

2、823.15文獻標識碼：A文章編號：1674-7976-(2011)03-218-04ResearchonEquivalentCircuitofLowProfileWidebandTaperedAntennaZHOUYijunAbstract：BasedontheequivalentcircuitofFostercanonicalpattern,thephysicallevelofalowprofile,ultra-widebandandtaperedantennausedforwirelesscommunicationisanalyzed.Theantennaiscomposedofatra

3、ditionaltaperantenna,aparasiticringandasleeve.Thecoverageoftheantennais747MHz-6000MHz,andthephysicalheightoftheantennaisonly0.0625Xoflow-frequency(747MHz).Inthepaper,anequivalentmodelofthelumpedparameterisdesignedfbrsimulatingthechangesoninputimpedanceoftheantennaandexplainingtheantennaworkingprinci

4、pleandthefunctionsofitsmaincomponents.Comparingtheresultofequivalentcircuitwiththefull-waveelectromagneticsimulationresults,wecanfindoutthattheyhaveanexcellentconsistency.Keywords：LowProfile;EquivalentCircuit;Wideband;TaperedAntenna隨著無線通信技術(shù)的高速發(fā)展，射頻前端的收發(fā)信機都需要一個寬帶/多頻帶且小型化的天線去接收或者發(fā)射各類不同標準的信號，其中包括GSM-90

5、0(880MHz-960MHz),DCS-1800(1710MHz-1880MHz),PCS-1900(1880MHz-1900MHz),UMTS(1920MHz.2170MHz),WiBro(2300MHz-2390MHz),Bluetooth(2400MHz-2484MHz),S-DMB(2605-2690MHz),WiMAX(3400MHz-3600MHz),WLAN(5150MHz-5350MHz,5725MHz-5785MHz)o本文所用天線原型是在文獻1中詳細描述的。圖1給出了此天線的詳細結(jié)構(gòu)。此天線是由一個傳統(tǒng)的錐形天線，一個接地寄生環(huán)和一個套筒組成。其中寄生環(huán)是為了獲得卓越的低

6、剖面特性，而套筒是為了優(yōu)化高頻時的特性阻抗，使其達到很高的頻率覆蓋范圍。從文獻1描述的結(jié)果我們可以看到，此天線只有25mm高度，卻展現(xiàn)出了從747MHzf000MHz超出8倍頻的優(yōu)良結(jié)果。而本文主要介紹了以Fostercanonical模式的等效電路為基礎(chǔ)，建立一個高精度的集總參數(shù)的等效電路去模擬此天線的工作方式。以此去清晰的解析的闡述和解釋此天線構(gòu)成的三大部分(傳統(tǒng)的錐形天線，寄生環(huán)和套筒)的具體作用。1Fostercanonical模式的等效電路收稿日期：2011-04-06o一般地，天線是一個線性的，無源的器件。當(b)磁天線圖3Fostercanonicalforms(a)俯視圖(單位

7、：mm)傳統(tǒng)錐形天線的電路模型建立H201(b)側(cè)視圖(單位：mm)圖1天線的結(jié)構(gòu)圖圖4給出了傳統(tǒng)錐形天線的等效電路模型，其輸入阻抗表示為Zin(/)o作為初始計算，輸入阻抗的電抗部分(7*in)可近似等于7/7(仞賽)。在本文中Co的取值是選取工作頻率對應(yīng)波長與天線高度呈現(xiàn)2A/A=0.1關(guān)系時的值?？芍炀€高度為25mm,因此波長應(yīng)為500mm而對應(yīng)的工作頻率為600MHz0在這個頻率下，由圖5中電磁仿真結(jié)果可得其對應(yīng)的電抗值Xin為169,因此可算出Co為1.56pFo同時，"值的選取是在第一個天線諧振點處(1.86GHz),L°,G)形成了諧振，因此，乙)的值為4.

8、69nHoR是取整個工作頻帶內(nèi)輸入電阻最高的點，而根據(jù)圖5所示電磁仿真結(jié)果，此點值為145Q(3.32GHz)o而由于此天線的諧振點(即&=0)為1.86GHz和3.32GHz,根據(jù)文獻4,G和3以此被得到。最后，經(jīng)過微調(diào)，此電路模型的最終取值為：£0=l.lnH,Co=l.56pF,R=145Q,牛5.08nH,G=0.42pF。圖5給出了有HFSS電磁仿真軟件得出的和由等效電路直接算出的輸入阻抗對比。由圖可知兩者吻合的非常好。COLOmnrLl圖2基礎(chǔ)的Fostercanonicalforms(a)電天線L0)1E圖4傳統(tǒng)錐形天線的等效電路圖3傳統(tǒng)錐形天線結(jié)合接地寄生環(huán)假

9、設(shè)天線無損時，其輸入阻抗可通過Fostercanonicalforms模擬進行分析，圖2是一個基礎(chǔ)的Fostercanonicalforms模型，其RLC電路可以獨立地模擬一個天線的諧振點。對于一個寬帶天線，可以模擬為多個不同諧振點的基礎(chǔ)Fostercanonicalforms模型的級聯(lián)，如圖3所示。圖3(a)和(b)分別用來模擬“電天線”和“磁天線氣圖6(a),(b)分別給出了由HFSS電磁仿真軟件150-100-50-100-150-200-25。50-用0-4Frequency(GHz)EMsimulation-Re(Zin)-EMsimulation-lm(Zin)circuitsim

10、ulation-Re(Zin)circuitsimulation-lm(Zin)圖5傳統(tǒng)錐形天線輸入阻抗的實數(shù)部分和虛數(shù)部分計算得到的傳統(tǒng)錐形天線和傳統(tǒng)錐形天線結(jié)合接地寄生環(huán)的輸入電阻和輸入電抗。200-從中我們可以看到當天線加入寄生環(huán)，輸入阻抗將出現(xiàn)2個明顯的變化：輸入電阻和輸入電抗都發(fā)生了明顯的左移，即像低頻端移動。在1GHz和4.5GHz處，又出現(xiàn)了兩個新增的諧振點。圖7給出了傳統(tǒng)錐形天線結(jié)合接地寄生環(huán)的等效電路模型。其中3,G的取值被放大，以此模擬整個輸入阻抗左移的現(xiàn)象。而耦合系數(shù)N在此被定義為錐形天線和寄生環(huán)間的耦合。而新加入的兩個RLC并聯(lián)電路是用來模擬在1GHz和4.5GHz處出

11、現(xiàn)的兩個新諧振點。經(jīng)過計算和微調(diào)，最終等效電路的取值被確定為：=llnH,G)=2.5pF,R=130Q,Li=6.02nH,G=0.7pF,N=0.96,彪=84。，3=2.81nH,C2=12.8pF,/?3=70dZ3=1.0nH,C3=l.4pF。而圖8給出了電磁仿真和電路模型的計算結(jié)果，從中也得到了很好的一致性。250-traditionalconicalantenna>Re(Zin)addingaparasiticring-Re(Zin)ooooO05052118uss_saJIndu-COL0rwvLl0123456Frequency(GHz)Frequency(GHz)(

12、b)輸入電抗8u£(Qaurdu一圖7傳統(tǒng)錐形天線結(jié)合接地寄生環(huán)的等效電路圖圖8傳統(tǒng)錐形天線結(jié)合接地寄生環(huán)的輸入阻抗的實數(shù)部分和虛數(shù)部分圖6由電磁仿真軟件計算出的傳統(tǒng)錐形天線和傳統(tǒng)錐形天線結(jié)合接地寄生環(huán)的輸入阻抗-50-4傳統(tǒng)錐形天線結(jié)合接地寄生環(huán)和套筒最后一步是將第三個天線的主要組成部分套筒的影響計入等效電路模型中。由文獻1可知，此套筒的作用是擴展天線的高頻工作范圍，以達到超寬頻帶的覆蓋特性。圖9(a),(b)分別給出了圖7和圖10結(jié)構(gòu)的電磁仿真結(jié)果。從這兩幅圖中，我們可以從輸入阻抗的變化看到套筒的影響主要集中在兩個方面：輸入電抗值在低頻端減小，在高頻端增大；在6GHz處又出現(xiàn)了一

13、個諧振點。影響1我們將用一個串聯(lián)的LC電路模擬，而影響2,我們用第四個RLC并聯(lián)電路來模擬。所以,最后得到完整的等效電路。經(jīng)過微調(diào)，最終可確定所有器件的取值如下：LO=1.1nH,Co=3.1pF,/?i=12OQ,£1=4.515nH,G=0.93pF,/0.99,3=2.81nH,C2=12.8pF,&3=50Q,%3=038nH,C3=3.32pF,7?4=40Q,£4=0.6nH,C4=0.65pF,3=0.3nH,C5=13.01pFo而根據(jù)圖10所得，我們可以看出，等效電路很好的模擬了此低剖面，超寬帶，錐形天線在整個工作頻帶內(nèi)的輸入阻抗。250->

14、addingaparasiticring-Re(Zin)addingaparasiticringandasleeve-Re(Zin)-50-1002345Frequency(GHz)(a)實數(shù)部分-150-150-addingaparasiticring-lm(Zln)addingaparasiticandasleevering-lm(Zin)0123456Frequency(GHz)(b)虛數(shù)部分圖9由電磁仿真軟件計算出的傳統(tǒng)錐形天線結(jié)合接地寄生環(huán)和傳統(tǒng)錐形天線結(jié)合接地寄生環(huán)，套筒的輸入阻抗圖10傳統(tǒng)錐形天線結(jié)合接地寄生環(huán)及套筒的輸入阻抗的實數(shù)部分和虛數(shù)部分5結(jié)論本文詳細介紹了一個用等效電路

15、模擬低剖面，超寬帶，錐形天線的輸入阻抗的過程。.此天線由一個傳統(tǒng)的錐形天線，一個寄生環(huán)和一個套簡組成，可有效覆蓋當代所有的無線通信頻段。從此等效電路的逐步建造過程中，我們從輸入阻抗的角度剖析了各個組成部分對天線頻帶性能的貢獻，從而更加清晰和明確了此種天線的構(gòu)造過程和深層思路。參考文獻：1 Jie.Ma,Y.-Z.Yin,S.GZhouandL.-Y.Zhao,Designofanewwidebandlow-profileconicalantennaJ,MicrowaveOptTechnolLett51(2009),2620-2623.2 StanleyB.T.Wang,AliMNiknejadandRobertW.Brodersen,CircuitmodelingMethodologyforUWBOmnidirectionalSmallAntennasJ,IEEEJournalofSelectedAreasinCommunications,Vol.24,No.4,Apr.2006,pp.871-877.3 SebastienPalud,FranckColombel,MohamedHimdiandCyrilleLeMeins,CircuitModelingo