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(duì)一個(gè)用于無線通信的低剖面,超寬帶，錐形天線進(jìn)行了物理層次的分析。這個(gè)天線是由一個(gè)傳統(tǒng)的錐形天線，一個(gè)寄生環(huán)和一個(gè)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(gè)波長。本文的主要目的是建立一個(gè)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(duì)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(hào)：TN

2、823.15文獻(xiàn)標(biāo)識(shí)碼：A文章編號(hào)：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(jī)都需要一個(gè)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(biāo)準(zhǔn)的信號(hào)，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(xiàn)1中詳細(xì)描述的。圖1給出了此天線的詳細(xì)結(jié)構(gòu)。此天線是由一個(gè)傳統(tǒng)的錐形天線，一個(gè)接地寄生環(huán)和一個(gè)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(shí)的特性阻抗，使其達(dá)到很高的頻率覆蓋范圍。從文獻(xiàn)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(gè)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(gè)線性的，無源的器件。當(dāng)(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(jì)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(duì)應(yīng)波長與天線高度呈現(xiàn)2A/A=0.1關(guān)系時(shí)的值?？芍炀€高度為25mm,因此波長應(yīng)為500mm而對(duì)應(yīng)的工作頻率為600MHz0在這個(gè)頻率下，由圖5中電磁仿真結(jié)果可得其對(duì)應(yīng)的電抗值Xin為169,因此可算出Co為1.56pFo同時(shí)，"值的選取是在第一個(gè)天線諧振點(diǎn)處(1.86GHz),L°,G)形成了諧振，因此，乙)的值為4.

8、69nHoR是取整個(gè)工作頻帶內(nèi)輸入電阻最高的點(diǎn)，而根據(jù)圖5所示電磁仿真結(jié)果，此點(diǎn)值為145Q(3.32GHz)o而由于此天線的諧振點(diǎn)(即&=0)為1.86GHz和3.32GHz,根據(jù)文獻(xiàn)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(duì)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(shí)，其輸入阻抗可通過Fostercanonicalforms模擬進(jìn)行分析，圖2是一個(gè)基礎(chǔ)的Fostercanonicalforms模型，其RLC電路可以獨(dú)立地模擬一個(gè)天線的諧振點(diǎn)。對(duì)于一個(gè)寬帶天線，可以模擬為多個(gè)不同諧振點(diǎn)的基礎(chǔ)Fostercanonicalforms模型的級(jí)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(shí)數(shù)部分和虛數(shù)部分計(jì)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(dāng)天線加入寄生環(huán)，輸入阻抗將出現(xiàn)2個(gè)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(dòng)。在1GHz和4.5GHz處，又出現(xiàn)了兩個(gè)新增的諧振點(diǎn)。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(gè)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(gè)RLC并聯(lián)電路是用來模擬在1GHz和4.5GHz處出

11、現(xiàn)的兩個(gè)新諧振點(diǎn)。經(jīng)過計(jì)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(jì)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(shí)數(shù)部分和虛數(shù)部分圖6由電磁仿真軟件計(jì)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(gè)天線的主要組成部分套筒的影響計(jì)入等效電路模型中。由文獻(xiàn)1可知，此套筒的作用是擴(kuò)展天線的高頻工作范圍，以達(dá)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(gè)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(gè)諧振點(diǎn)。影響1我們將用一個(gè)串聯(lián)的LC電路模擬，而影響2,我們用第四個(gè)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(gè)工作頻帶內(nèi)的輸入阻抗。250->

14、addingaparasiticring-Re(Zin)addingaparasiticringandasleeve-Re(Zin)-50-1002345Frequency(GHz)(a)實(shí)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(jì)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(shí)數(shù)部分和虛數(shù)部分5結(jié)論本文詳細(xì)介紹了一個(gè)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(gè)傳統(tǒng)的錐形天線，一個(gè)寄生環(huán)和一個(gè)套簡組成，可有效覆蓋當(dāng)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(gè)組成部分對(duì)天線頻帶性能的貢獻(xiàn)，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(xiàn)：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