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一种微型化超宽频微带天线的设计

2017/4/3    来源:互联网    作者:余文胜      
关键字:微型化  超宽频  微带天线  HFSS  
本论文介绍了一种新型微型化超宽频微带天线,由于现代科学通讯技术的不断进步,为了配合日渐微缩的通讯设备,天线的微型化成为设计主流。现代通信要求能够通讯复杂的多媒体信息,传统2.4GHz通信频段己不能满足现有要求,于是超高频通信应运而生。微带天线是由导体薄片粘贴在背面有导体接地板的介质基质上形成的天线,具有许多新的优势。

1.引言

    1940年代到1960年代,为了满足通信系统的传输要求,人们开始研究天线宽带匹配网络来实现宽带要求。期间,Linden blad提出了共轴喇叭天线,Schelkunoff提出了球形偶极子天线,P.S.Carter提出了双圆锥天线。而自从1980年代以来,在超宽频电磁学在理论上和关键技术上有了关键突破以后,超宽频天线研究开始兴起,2002年,美国联邦通信委员会将超高频段对民用开放,更是让超宽频天线迅速发展。

    现在,由于超宽频天线的越来越广泛的应用,超宽频逐渐成为天线方面研究重点。而国内目前也有几所大学和研究所在研究超宽频天线,但总体来说还是落后于国外的研究。

    近些年,UWB技术的实际应用由军用转为民用,极大促进了UWB技术的发展,国外通信公司如英特尔、摩托罗拉、飞利浦等著名设备制造商开始了对UWB技术的开发,并且实现了许多具有实际应用的通讯收发设备。

    超宽频天线的总体目标是超宽带,高性能,小型化,集成化,易于大量生产,成本低,然而实现这些目前仍然是个艰巨的挑战,大量国内外学者正在为之努力。

2.天线的基本理论及特性分析

    2.1 天线的基本理论

    研究天线时可以将其简化为一个简单、明了的模型一电、磁基本振子。下面首先介绍这种基本模型。

    电基本振子最简化模型是电流元。可以看做是一段理想的高频电流直导线,同时振子沿线的电流l处处等幅相同。要求是其长度l远小于波长λ,其半径a远小于1,实际生活中的各种复杂的天线都是用这样的电流元可以构成的。通过电基本振子的数值场强表达式可以得知各分量都与距离r有关,所以我们研究电基本振子时可以分为近区场和远区场来加以区别。

    分析得知,近区场的能量在电场和磁场间交换而没有辐射,而远区场有能量沿r方向向外辐射,所以近区场也称为准静态场,远区场称为辐射场。

    其次关于磁基本振子的辐射,可以类比电基本振子的推导。通过与电基本振子的辐射场相比较,可以得出它们除了辐射场的极化方式相互正交以外,其他特性完全相同。而在实际学习磁基本振子时,我们可以将其比作为一个电流环模型。如下图1所示。

电流环模型图

图1 电流环模型图

    2.2 天线的性能参数

    在实际工程应用中,设计天线要综合考虑天线的各项指标,要符合设计要求。天线电参数是说明天线工作性能的指标,用天线电参数可以清晰的衡量一个天线性能的好坏优劣。

    方向图:与天线等距离处,天线辐射场大小在空间中的相对分布随时间方向变化的图形。实际中,工程上采用最多的是E面和H面方向图;方向图可以用不同的坐标表示,不同的表示方法各有优劣。直角坐标系表示方向图,由于横坐标可按任意标尺扩展,所以图形比较清晰。用极坐标系表示方向图时,不易分清零点或最小值。

    电基本振子的方向图相对简单,而实际工程中天线的方向图会分为主瓣、负瓣和后瓣,相对比较复杂。如图2所示。方向系数:在同一距离及相同辐射功率的条件下,某天线在最大辐射方向上的辐射功率密度Smax和无方向性天线的辐射功率密度So之比,记为D。

天线方向图的一般形状

图2 天线方向图的一般形状

    天线效率:由于天线导体及其绝缘介质会不可避免地产生传输损耗,导致输入天线的实功率并不能全部转换成电磁波能量。故定义天线的效率为天线辐射功率Pr与输入功率Pin之比,记为ηA,增益系数:在同一距离及相同输入功率的条件下,某天线在最大辐射方向上的辐射功率密度Smax和理想无方向性天线的辐射功率密度So之比,记为G。

    天线极化:天线在给定方向上远区场辐射电场的空间取向,一般特指为该天线在最大辐射方向上的电场的空间取向。当极化偏离最大辐射方向上,天线极化会发生改变,所以天线的极化不是不变的,不同的辐射方向,极化也会不同。并且根据电矢量端点运动的轨迹不同可以划分极化为线极化、圆极化和椭圆极化,其中圆极化还可以细分为左旋圆极化和右旋圆极化。

    输入阻抗与辐射阻抗:天线工作时,可以将天线看作是传输线的负载,根据传输线理论,天线与传输线之间存在阻抗匹配问题。定义天线的输入阻抗Zin为天线的输入端电压与电流之比。

    天线的结构、工作频率以及周围的环境都会对天线的输入阻抗造成影响。在天线的相关概念中,天线的辐射阻抗是一个假想的等效阻抗,并且定义其数值大小与归算电流有关。

    2.3 超宽频微带天线设计的影响因素

    微带天线之所以呈现窄频带特性,根本原因是它本质上是一种谐振式天线,其谐振特性就像一个高Q并联谐振电路。同时正是由于这一特性,为我们提供了拓展频带的基本思路,就是降低谐振电路的Q值。

    查阅相关资料可知,影响带宽的因素主要有介质基板厚度、介质基板相对介电常数、矩形贴片的长宽比以及介质基板损耗角等因素。所以相对的拓展频带就有几种常用的方法,一是增加微带介质的厚度。二是降低微带介质的介电常数。三是改变天线结构。

    对于增加基板厚度,导致频带变宽的原理是增加厚度,辐射电导也会增加,相应的Q值也会下降。对于降低相对介电常数导致频带变宽的原理是εr变小,介质对场的束缚变小,易于辐射,使辐射对应的Q值变小。上述两种方法对于拓展带宽潜力有限。

    由于相关设备条件的限制,本论文在介质基板厚度以及基板的相对介电常数等方面未进行过多探索,采取的拓展频带的方法是改变天线的结构来拓展天线频带。具体做法是改变矩形贴片的结构以及在矩形贴片上开槽。这种举措相当于引入了阻抗匹配元件。然后通过不断调整开槽的大小以及开槽位置便可以达到拓展带宽的目的。

责任编辑:程玥
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