一種90z共面波導饋電單極子天線的設計

一種90z共面波導饋電單極子天線的設計

1共面導數(shù)饋電單極子天線的設計單極子天線由于規(guī)模小、結(jié)構(gòu)緊湊，在所有通信設備中廣泛傳播，其研究和設計也引起了很多關(guān)注。近幾年隨著移動通信技術(shù)的飛速發(fā)展,新的技術(shù)要求產(chǎn)生了多種新的單極子天線設計方案,如文獻提出一種通過附加兩個開路單極子實現(xiàn)雙頻工作的天線結(jié)構(gòu);文獻給出了一種可較大幅度縮小單極子天線尺寸的設計方案;文獻介紹了一種采用高介電常數(shù)介質(zhì)材料來縮小天線尺寸的設計方案;文獻提出了一種彎曲折疊單極子天線結(jié)構(gòu)。典型的單極子天線通常由同軸線饋電,以同軸線的內(nèi)導體作為輻射體,置于金屬反射板之上,同軸線的外導體則與反射板相接。實際應用中通常借用設備的金屬外殼作為反射板,因此同軸線饋電的單極子天線通常適用于帶金屬外殼的通信設備。對于不帶金屬外殼的通信設備,通常采用的單極子天線可有兩種設計方案,其一是為天線設計專用金屬反射板;其二是借用設備中的其他金屬體,如微帶線、共面波導、帶狀線等傳輸線的金屬底板。兩種方案相比,后者由于省去了一塊附加金屬板,可使結(jié)構(gòu)更加緊湊,因而更具實用價值。實際應用中具體采用哪一種饋電結(jié)構(gòu)則取決于天線的前置電路采用的傳輸線結(jié)構(gòu)。該設計方案存在的問題是天線與前置電路之間缺少有效的隔離,相互影響較為嚴重,尤其制作電路的傳輸線的金屬底板尺寸直接影響天線的工作頻率,因此設計這類單極子天線時須結(jié)合制作電路的傳輸線的尺寸作整體設計。本文給出了一種共面波導(CPW)饋電單極子天線的設計,該單極子天線以共面波導的中心導帶為輻射單極子,以中心導帶兩邊的金屬導體作反射板,結(jié)構(gòu)簡單緊湊。文獻中研究的天線結(jié)構(gòu)雖然也由CPW饋電,但它采用的是帶金屬底板的CPW,這種CPW的性能類似于微帶線,而且文獻只給出了一種特定尺寸CPW饋電時的天線結(jié)構(gòu)及其性能參數(shù)。本文結(jié)合饋電結(jié)構(gòu)研究了該單極子天線的性能參數(shù)與設計,為充分考察CPW的尺寸對天線性能的影響,對CPW取多種不同尺寸時的天線結(jié)構(gòu)進行了模擬計算、樣品制作和實驗測量,據(jù)此總結(jié)出了CPW尺寸的變化對天線性能影響的規(guī)律。本文工作主要針對900MHz移動通信系統(tǒng),因此文中天線與CPW的尺寸都是考慮了通信設備的實際要求而選擇的。2天線的結(jié)構(gòu)與設計本文研究的CPW饋電單極子天線的結(jié)構(gòu)如圖1所示,圖中的CPW不帶金屬底板,由CPW延伸出來的金屬條帶即起輻射作用的單極子。該結(jié)構(gòu)簡單緊湊,其中天線與饋電的CPW實際上已形成了一個整體。一般CPW饋電或微帶線饋電的天線通常都存在天線對饋線的影響問題,如典型的CPW饋電的環(huán)天線或微帶線饋電的貼片天線,天線的影響使得天線附近的饋線都不能看作只存在傳輸模式的通常的傳輸線,但饋線結(jié)構(gòu)通常對天線并不存在決定性的影響,而圖1所示天線結(jié)構(gòu)不僅天線對饋電的CPW存在影響,不同的CPW結(jié)構(gòu)顯然對天線也有著決定性的影響,因為CPW的金屬導體對天線還有著反射板的作用。不難看出,該天線結(jié)構(gòu)中影響天線性能指標的參數(shù)應包括單極子金屬條帶的長和寬、CPW的長和寬,以及所用介質(zhì)基板的參數(shù)。本文所用介質(zhì)基板的相對介電常數(shù)εr為16.0,厚度為1mm。選用高介電常數(shù)的介質(zhì)基板是為了縮短單極子金屬條帶的長度,從而減小整個天線的尺寸。為方便測量CPW的特性阻抗設計為50Ω,這時CPW中心導帶的寬度可取2.0mm,中心導帶與兩邊金屬導體的間隔則應為1.0mm。為簡化設計,圖1中單極子金屬條帶的寬度未作改變也取為2.0mm,其長度則取決于天線的工作頻率。天線的分析計算借助于商用模擬計算軟件IE3D來進行,該軟件采用矩量法結(jié)合譜域分析方法來處理分層介質(zhì)結(jié)構(gòu)中的場問題。實際計算時以CPW的起始端作為輸入端,將圖1所示結(jié)構(gòu)作為一個整體來做三維場分析。這樣,圖1中的CPW就不僅有CPW的傳輸模式場,而且存在輻射場,因此天線與CPW的交界面實際上并不作為分界面來處理。圖2給出了一組單極子金屬條帶長度Lm取不同數(shù)值時天線輸入端反射系數(shù)的頻率特性曲線,圖中CPW的長Lt和寬Wt分別取50mm和46mm。由圖可見該單極子天線有著良好的寬帶特性,Lm取不同數(shù)值時,該天線都具有超過10%的帶寬,Lm的變化改變的僅僅是工作頻率。3種尺寸中Lm取58mm時天線的中心頻率約為900MHz,滿足VSWR≤2.0的頻率范圍為860MHz～960MHz,該頻率范圍即900MHz移動通信通常的工作頻率。由于介質(zhì)基板的作用,使該天線金屬條帶的長度Lm僅有1/4波長的2/3左右。我們知道常規(guī)單極子天線與偶極子天線都屬于窄帶天線,工作頻帶一般不超過5%,要實現(xiàn)10%以上的工作帶寬則需要對天線結(jié)構(gòu)作進一步的改進,如當單極子為同軸線的內(nèi)導體時則需要加大內(nèi)導體的半徑。文獻中采用的方法是將單極子金屬條帶設計為三角形的結(jié)構(gòu)。圖1所示單極子天線起輻射作用的金屬條帶僅2mm寬,但已可實現(xiàn)10%以上的工作帶寬,這說明CPW饋電的單極子天線結(jié)構(gòu)并不需要作展寬頻帶的努力即可應用于900MHz移動通信設備,因為10%的工作帶寬正是900MHz移動通信設備的帶寬要求。圖3所示天線輸入端反射系數(shù)和增益的頻率特性曲線是在Lm保持58mm不變,CPW的寬度Wt也保持46mm不變而其長度Lt取不同數(shù)值時的結(jié)果。如圖所示,CPW長度Lt的變化對天線工作頻率的影響十分明顯,這說明對應于不同尺寸的CPW,要使天線設計工作在同一頻段,所需單極子金屬條帶的長度是不同的,并且Lt的變化對天線增益也有一定的影響。圖4中的曲線是在Lm保持58mm不變,CPW的長度Lt也保持50mm不變而其寬度Wt取不同數(shù)值時的結(jié)果。通常Wt的變化會引起CPW特性阻抗的變化,這時為使CPW保持50Ω的特性阻抗,便需要改變中心金屬條帶或中心金屬條帶與兩邊金屬板之間間隔的尺寸,為不使變動太大,圖中不同曲線Wt的變化限制在了一個較小的范圍內(nèi),在該范圍內(nèi)由Wt的變化而引起的CPW特性阻抗的變化可以忽略。由圖可見Wt的變化對天線性能的影響相對較小,Wt的變化基本不影響天線的工作頻率,但對天線的工作帶寬有著一定的影響,比較圖中的3條曲線可以看出,該單極子天線的工作帶寬隨著Wt的減小而增加,主要是改善了天線工作頻帶的高端,天線工作頻帶的低端則基本保持不變。3等效電路和準天線的測量圍繞以上模擬計算的結(jié)構(gòu)數(shù)據(jù)可以制作出多個CPW饋電的單極子天線實驗樣品。實際制作的天線結(jié)構(gòu)與模擬計算的天線結(jié)構(gòu)之間主要差距在于介質(zhì)基片,模擬計算時介質(zhì)基片的橫向尺寸是假設為無限大的,實際制作時顯然不可能將天線制作在無限大的介質(zhì)基片上,并且從實際使用的角度出發(fā),介質(zhì)基片通常即取與金屬導體相同的尺寸,根據(jù)經(jīng)驗,這樣制作出來的天線的性能指標與模擬計算的天線的性能指標之間存在一定的偏差,但偏差一般不會太大。測量時在CPW的輸入端接上SMA接頭,測量工作便可以在網(wǎng)絡分析儀上進行。圖5為單極子金屬條帶長度Lm分別取70mm和65mm時天線輸入端反射系數(shù)頻率特性的測量數(shù)據(jù),被測天線CPW的長Lt和寬Wt都取50mm。由圖可見Lm取65mm時的單極子天線可在855MHz～970MHz范圍內(nèi)滿足VSWR≤2.0的工作條件。顯然,天線的頻率特性與模擬計算的結(jié)果基本一致,但具體尺寸上存在一定的偏差,關(guān)于單極子長度Lt的誤差約為10%,考慮到介質(zhì)基板的差異,這樣的誤差應在預計范圍之內(nèi)。圖6為Lm保持65mm不變,CPW的寬度Wt也保持50mm不變而其長度Lt分別取不同數(shù)值時的測量結(jié)果。如圖所示,Lt取40mm時,滿足VSWR≤2.0的頻率范圍為860MHz～975MHz;Lt取30mm時該頻率范圍為880MHz～1000MHz。顯然該結(jié)果驗證了圖3中模擬計算的結(jié)論。圖7為測量獲得的CPW饋電單極子天線工作于900MHz時的輻射方向圖,被測天線的尺寸為Lm=65mm、Wt=50mm、Lt=40mm,方向圖測量在微波暗室中進行。如圖所示該單極子天線在H面具有良好的全向特性,輕微的不對稱主要源于介質(zhì)基板的影響;其E面方向圖則類似于通常的偶極子天線,不同的是該方向圖在饋線方向的零點不是十分明顯,由于該方向的測量數(shù)據(jù)受到同軸饋線的影響,因而測量數(shù)據(jù)存在一定的誤差。4與cpw的組合根據(jù)以上模擬計算和實驗測量的結(jié)