頂端加載單極子寬頻天線的阻抗匹配和方向圖研究

1、 頂端加載單極子寬頻天線的阻抗匹配和方向圖研究張海力1，王志紅1，于嘉嵬1，高永忠2，鄭海雄2(1 電子科技大學(xué)電子薄膜與集成器件國(guó)家重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室，四川 成都，610054；2 良特（香港）有限公司，廣東 東莞，523586)摘要：頂端加載是減小低頻天線結(jié)構(gòu)，增加電小天線帶寬常用的方法。本文通過(guò)對(duì)頂端加載銅管電小天線阻抗特性研究，總結(jié)出天線駐波比隨接地銅管長(zhǎng)度的變化規(guī)律，以及有限接地面在全向微帶天線阻抗匹配方面的應(yīng)用。頂端加載銅管造成天線輻射方向圖向大于90度方向偏移，通過(guò)對(duì)天線結(jié)構(gòu)的分析找出了方向圖偏移的原因，并針對(duì)性的給出了三種改進(jìn)方法，其中文中給出的微帶天線在水平全向輻射方面是較好的方法關(guān)

2、鍵詞：頂端加載、阻抗匹配、方向圖Study on Impedance Matching and Patterns Direction of Top Loaded Monopole AntennaZhang Haili, Wang Zhihong,Yu Jiawei, Gao Yongzhong, Zheng Haixiong(1 State Key laboratory of electronic thin films and integrated device, University of electronic science and technology of China，Chengdu

3、Sichuan 610054 China；2 Exceltek Electronics (Hong Kong) LTD., Dongguan Guangdong 523586 China)Abstract: Top loaded method is used to reduce antennas structures and increase bandwidth. In the paper, according to the study of impedance character of copper tube loaded antenna, conclude in the law of VS

4、WR and input impedance variety following bottom copper tube length. Because of the unbalance structure, radiation pattern of top loaded copper tube antenna appears excursion above 90 degree. This paper introduces three methods to optimize radiation pattern, and point out that microstrip antennas are

5、 better choice to obtain omni-directional antennaKeywords: Top loaded antenna; Impedance matching; Patterns direction隨著電子和微電子技術(shù)的快速發(fā)展，各種無(wú)線接收和發(fā)射設(shè)備越來(lái)越小，集成度也越來(lái)越高。在較低頻段，由于天線的工作波長(zhǎng)較長(zhǎng)，天線的尺寸已成為設(shè)備結(jié)構(gòu)整體進(jìn)一步減小的瓶頸，同時(shí)為滿足更快的傳輸速率，不同結(jié)構(gòu)的寬頻帶、低剖面全向天線逐漸研究出來(lái)，并為大家所熟知。綜合目前的研究現(xiàn)狀，加載在展寬線天線帶寬和減小尺寸方面是有效的也是應(yīng)用最多的方法。加載按位置不同有頂部加載、中間加

6、載和底部加載，同時(shí)也可以分為集總加載和分布加載（1）（6）。頂端加載可以減小Q值，增加天線有效電長(zhǎng)度，使線天線在一定頻率下減小尺寸，增加帶寬。頂端加載圓盤(pán)是用的較多的方式，但是圓盤(pán)的尺寸也不能太大，太大會(huì)增加橫向尺寸。加載銅管是較好的方法(6)，既不會(huì)增加橫向尺寸，通過(guò)改變銅管長(zhǎng)度又可以方便的控制諧振頻率，隨著銅管長(zhǎng)度逐漸加長(zhǎng)，天線的諧振頻率會(huì)降低。為了增加帶寬，并實(shí)現(xiàn)低頻時(shí)的小工作尺寸，本文所研究天線是頂端銅管加載全向雙頻天張海力線，工作于450MHz和1500MHz。在設(shè)備應(yīng)用中由于接地面較小，會(huì)造成輸入阻抗失配，VSWR升高，在此我們應(yīng)用接地銅管對(duì)天線進(jìn)行匹配，并研究了接地銅管長(zhǎng)度對(duì)低頻

7、阻抗匹配性能的影響。頂端加載銅管可以看作頂端盤(pán)狀加載的變異，也可以看作V錐的變異，不僅決定著天線的低頻工作性能，還造成天線的輻射方向圖下偏，本文對(duì)輻射性能進(jìn)行分析，并給出了幾種改進(jìn)意見(jiàn)。一 天線結(jié)構(gòu)天線的實(shí)物和結(jié)構(gòu)圖分別見(jiàn)圖1和圖2，內(nèi)部是一中心導(dǎo)體，其下部和TNC接頭中心針相連，用于饋電，上部與銅管頂端相連，導(dǎo)體直徑0.5mm，從接頭頂部算起，中心導(dǎo)體長(zhǎng)度是100mm。中心導(dǎo)體的長(zhǎng)度決定著高頻諧振頻率，由于導(dǎo)體長(zhǎng)度約等于1. 5GHz諧振頻率的半個(gè)波長(zhǎng)，所以高頻諧振點(diǎn)在1.5GHz左右。頂部銅管和下邊匹配銅管具體尺寸見(jiàn)圖2。頂端加載銅管長(zhǎng)47mm，壁厚0.25mm，和內(nèi)導(dǎo)體一起決定著天線低頻

8、特性，頂端銅管也影響著低頻輻射方向圖。接地銅管壁厚也是0.25mm，下部和TNC接頭相鉚合，實(shí)現(xiàn)阻抗匹配，對(duì)方向圖也有一定的作用。由于兩個(gè)銅管中空，中心導(dǎo)體圖1. 天線實(shí)物圖又較細(xì)，所以中部用一較短熱縮PVC管固定，對(duì)天線高頻和低頻性能都沒(méi)有太大影響。二 天線性能分析1阻抗匹配分析 通常我們考慮的天線的帶寬都是阻抗諧振帶寬，基于傳輸線模型對(duì)天線進(jìn)行加載，能提高帶寬，改善輻射特性。本文所研究天線通過(guò)加載銅管在450MHz左右可以達(dá)到100M的帶寬，改變圖2. 天線結(jié)構(gòu)圖。TNC接頭；接地銅管10mm×6.5mm,L=49mm;熱縮PVC管，用于固定；頂部銅管，10mm,L=47mm銅管

9、和中心導(dǎo)體的長(zhǎng)度也很容易調(diào)整天線的高頻和低頻諧振頻率，其輻射性能也較好，最大增益在低頻可達(dá)6dBi。但由于電單極子天線是高的輸入容抗，低的輸入電阻，一般是引入匹配網(wǎng)絡(luò)使天線滿足諧振點(diǎn)的駐波比特性。文獻(xiàn)（1）用MOM（moment of methods ）對(duì)頂端加載圓盤(pán)單極子天線輸入阻抗進(jìn)行了計(jì)算，計(jì)算條件是天線處于無(wú)限接地面上。 通常電小天線的匹配網(wǎng)絡(luò)都是根據(jù)天線的阻抗特性，用相對(duì)應(yīng)的無(wú)源集總元件進(jìn)行匹配，但是由于集總元件不隨頻率變化，所以匹配頻帶范圍非常窄，用隨頻率變化的分布元件，如銅管和有限接地面則能獲得寬的匹配帶寬（5）。 駐波比直接反映天線和電路的輸入輸出匹配特性，天線輸入VSWR（1

10、-in）/（1+in），in是天線的輸入反射系數(shù)，in（Zin-Z0）/（Zin+Z0），其中Zin和Z0分別是輸入阻抗和特征阻抗。圖3顯示的是頂端加載銅管長(zhǎng)度為47mm時(shí)天線駐波比隨接地銅管長(zhǎng)度的變化曲線。未加接地銅管時(shí),駐波比在3左右,加接地銅管駐波比明顯改善。當(dāng)銅管長(zhǎng)度增加到30mm時(shí)，天線的駐波比在1.5左右，隨著銅管長(zhǎng)度進(jìn)一步加長(zhǎng)，駐波比會(huì)繼續(xù)減小，但是減小的幅度已經(jīng)很小。同時(shí)考慮接地銅管對(duì)方向圖偏移的影響，在結(jié)構(gòu)允許的情況下，可以使用較長(zhǎng)些的銅管。圖4是一個(gè)原理和頂端加載相似的微帶天線，工作頻段是2.4GHz和5.8GHz。當(dāng)沒(méi)有下部的匹配時(shí)，2.4GHz諧振點(diǎn)的駐波比在50左右，

11、通過(guò)匹配駐波比可以達(dá)到1.3以下。文獻(xiàn)3通過(guò)有限接地面實(shí)現(xiàn)了三頻全向單極子天線的阻抗匹配。所以對(duì)于單極子電小天線，在不能獲得較大接地面，或者要實(shí)現(xiàn)某一頻段的諧振，通過(guò)接地銅管或者變形的有限接地面很容易實(shí)現(xiàn)諧振點(diǎn)的阻抗匹配。VSWR單位：mm圖3. VSWR值隨接地銅管長(zhǎng)度的變化.圖4. 雙頻微帶天線平面圖。基底材料FR4，厚度0.6mm，所有參數(shù)單位都是毫米2天線方向圖分析 頂端加載較小尺寸物體的單極子天線，或者兩端加載的雙極子天線對(duì)其方向圖的影響都很小。當(dāng)加載體尺寸較大時(shí)，單極子天線低頻端方向圖和普通單極子天線方向圖相近，而高頻端方向圖將會(huì)向大于90度方向偏移，出現(xiàn)指向性。圖5. 實(shí)測(cè)的不同

12、頻段XZ面的E面方向圖由于低頻端天線的波長(zhǎng)比加載體尺寸大的多，所以天線的輻射方向圖和普通單極子天線方向圖相近，隨著頻率的增加，波長(zhǎng)也越來(lái)越短，由于天線結(jié)構(gòu)的非對(duì)稱(chēng)性（2），當(dāng)波長(zhǎng)和天線輻射結(jié)構(gòu)相近時(shí)，方向圖也就逐漸出現(xiàn)偏移。圖5是不同頻點(diǎn)測(cè)試的天線輻射方向圖。從圖5中A，B和C三張E面輻射方向圖可見(jiàn)，在高頻端方向圖整體都出現(xiàn)了向大于90度方向的偏移，隨著頻率的增加，逐漸出現(xiàn)副瓣，且副瓣電平也越來(lái)越高。水平方向的增益比最大方向小了將近4dB。高頻端輻射方向圖的偏移也可以用V錐的分析方法來(lái)考慮，文獻(xiàn)（7）用模型匹配法對(duì)有限長(zhǎng)V錐的輻射方向圖進(jìn)行了分析。從圖1知，電流是從中心導(dǎo)體的頂端流向銅管，所以

13、銅管輻射部分可以看作頂點(diǎn)饋電的有限長(zhǎng)V錐天線變形。V錐天線的輻射方向圖和錐角有關(guān)，錐角越大高頻端輻射方向圖越偏向孔徑方向，主要是由于孔徑尺寸和輻射波長(zhǎng)相近的原因，隨著錐角的減小，直到最后為零也就成為普通單極子天線。由于頂部銅管的孔徑不為零，所以高頻端輻射方向圖也就向大于90度方向偏移。從圖5中D、E和F圖可知，在更高的頻段，天線的輻射方向圖又成為普通單極子天線的輻射方向圖。這是由于參與更高頻段輻射的主要單元是中心導(dǎo)體，也就是一個(gè)普通的單極子天線，所以其輻射方向圖才沒(méi)有出現(xiàn)偏移。本文所研究天線應(yīng)用的頻段主要是450MHz左右，且接收的主要是水平方向信號(hào)，所以優(yōu)化頂部加載銅管天線在水平方向的輻射方

14、向圖是最重要的。由于天線輻射方向圖的偏移主要是結(jié)構(gòu)的非對(duì)稱(chēng)性引起的，所以在天線的頂部再加一個(gè)開(kāi)口向上的銅管，形成雙錐天線的變形則可以改善天線的水平輻射特性。但這同時(shí)也增加了天線的尺寸，對(duì)結(jié)構(gòu)要求較小的天線不是太適宜。接地銅管的長(zhǎng)度對(duì)天線高頻端的輻射方向圖偏移有一定的抑制作用，但是影響很小，通過(guò)考慮V錐天線的錐角對(duì)輻射方向圖的影響，可以在加大接地銅管的同時(shí)，減小頂部銅管的孔徑尺寸來(lái)共同改善水平方向輻射方向圖。當(dāng)然應(yīng)用圖4微帶天線的方式來(lái)實(shí)現(xiàn)水平方向的全向輻射是一個(gè)相當(dāng)好的選擇。三 結(jié)論本文通過(guò)對(duì)頂端加載銅管單極子天線的阻抗特性和方向圖的分析，給出了頂端加載天線的阻抗匹配規(guī)律和方向圖的改善方法。在

15、接地銅管長(zhǎng)度達(dá)到30mm時(shí)，駐波比降到1.5左右，能夠很好滿足天線特性要求，繼續(xù)增長(zhǎng)銅管駐波比可以降到1.08。并且這一規(guī)律也可以用在一些微帶天線的匹配上。頂端加載改變了天線的對(duì)稱(chēng)結(jié)構(gòu)，造成方向圖向大于90度方向偏移，水平方向增益下降。通過(guò)對(duì)結(jié)構(gòu)分析，本文給出了幾種改進(jìn)方法。在有結(jié)構(gòu)尺寸限制時(shí)，用微帶天線的形式是獲得全向水平輻射的最好方法。參考文獻(xiàn)：1 Ted L. Simpson, The Disk Loaded Monopole AntennaJ. IEEE TRANSACTIONS ON ANTENNAS AND PROPAGATION, VOL. 52, NO. 2, FEBRUARY

16、 20042 Joshua S. Petk， and Douglas H. Werner, Miniature Reconfigurable Three-Dimensional Fractal Tree AntennasJ. IEEE TRANSACTIONS ON ANTENNAS AND PROPAGATION, VOL. 52, NO. 8, AUGUST 20043 Wen-Chung Liu, Design of a Multiband CPW-fed Monopole Antenna Using a Particle Swarm Optimization ApproachJ. IEEE TRANSACTIONS ON ANTENNAS AND PROPAGATION, VOL. 53, NO. 10, OCTOBER 20054 Ki-Hak Kim, Jin-U Kim, and Seong-Ook Park， An Ultrawide-Band Doubl