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具有全向水平极化辐射方向图的双“S”形毫米波微带天线

2023/4/27    来源:Altair    作者:杨朝伟  浦实  贺显惠      
关键字:FEKO  全向水平极化天线  Alford  
本文旨在为手机等移动通信设备设计一款毫米波微带天线天线,其结构主要基于Alford线天线,同时运用了曲流技术进行天线结构的缩尺设计,通过Altair公司的FEKO软件进行仿真,最终得到了一款工作频率为2.45GHz的双“S”(叶形)微带天线。
1 概述

       全向水平极化天线是一种可以均匀地辐射和接受水平极化波的天线。在移动通信中,全向性天线的辐射性能起着至关重要的作用,保证了移动通信的品质。在传统的移动通信系统中,垂直极化天线应用较为广泛,然而,近年来,人们发现水平极化天线具有独特的性能优势。在城市或一般室内无线通信环境中,由于电磁波在传播过程中发生了反射、绕射和折射等多径传播后才能到达终端,造成了信号极化方式的改变和能量的衰减,根据参考文献[5],一种降低衰减的手段就是在通信系统的发射端与接收端安装相同极化方式的天线,而采用水平极化天线的系统比采用垂直极化天线的系统平均多出10dB功率增益。

       关于全向天线的研究已经进行很长时间了,早在1940年,Alford和G.Kandoian就提出了一种新颖的环形天线,它能够实现了良好的全向水平极化特性,以Alford环形天线的经典天线结构被人所熟知[3]。一些学者已经优化了Alford环形天线的尺寸,此外,他们为2.45GHz WLAN(无线局域网)的应用设计和制造了这种环形天线的平面印刷结构[2]

2 叶型环天线结构的设计

       在本文所设计的天线中,介质板的顶部和底部平面上分别放置有一个“S”形金属微带。“S”形贴片由一个宽臂和两个与宽臂两端分别连接的弯曲、带槽的翼构成,天线设计图如图1。
叶型微带环天线设计俯视图
图1 叶型微带环天线设计俯视图

       两翼弯曲挖槽的设计。应用曲流技术进行天线缩尺设计,将两翼分别弯曲成八分之一圆,并且在15度至30度的范围内开槽,槽深度为D。此外,由于天线的有效长度与其谐振频率成反比[1]。在两翼末端增加额外长度,改变额外长度可以起到微调天线性能的功能。
微带天线介质波长计算公式
公式1 微带天线介质波长计算公式

       天线结构的参数设计。天线结构的俯视图如图1所示。根据方形环天线的边长约为介质波长λg(如公式1所示)的四分之一。其中λ0为真空中波长,εr为相对介电常数,由于传统的微带天线底面为接地板,而此天线上下两面均为辐射单元,不同于传统的微带天线,所以不能完全套用微带天线的计算公式[6],但是考虑到本文天线与普通微带天线的可比性,可将有效介质常数设置为真空与材料介质常数之和的一半,即式中的(εr+1)/2即可。电流环路长度C=172.11mm(4 L1+8D+πL1)等于介质波长,由此可见,天线尺寸得到了缩小。运用Altair公司的FEKO软件进行多次调整和模拟后,最终选择的参数如表所示。
表1 叶型微带环天线的参数表
叶型微带环天线的参数表

3 测量结果

       在实物测试中,将金属贴片印刷在介电常数εr=2.55且厚度为0.8mm的F4BM(宽介质常数聚四氟乙烯玻璃布覆铜箔板)基板上。该贴片是由厚度为0.0035mm的铜制成。天线采用同轴馈电模式,馈电点位于介质板的中心。天线通过使用SMA转接头连接到矢量网络分析仪上。制造的实物如图2,参数如表1所示。|S11|已通过Rohde&Schwarz®的ZVA40矢量网络分析仪(100kHz-8.5GHz)测量,测试结果如图3所示。天线的谐振频率为2.15GHz,|S11|在该频率处为-24.44dB,带宽约为39.44MHz(|S11|<-10dB)。在测试要求期间,天线用SMA转换头连接到矢量网络分析仪上测试,由于本文天线结构容易被SMA转接头结构影响辐射效果,所以造成了天线的谐振频率测试结果有一定程度的移动。
叶型微带环天线设计结构图
图2 叶型微带环天线设计结构图
叶型微带环天线仿真和测试图
图3 叶型微带环天线仿真和测试图

4 分析与结论

       通过对上述测量结果的分析,最终实物天线的测试结果满足设计要求,实现了水平方向的全向性,|S11|达到了-24.44dB,谐振点位于2.145GHz。其大小为27×27mm2,拥有相对于其他天线更小的体积,有望应用于2.45GHz的移动通信系统中。在此作者感谢在研究过程中FEKO工程师给予的帮助。

5 参考文献
[1]双频水平极化全向印刷天线的研究[D].南京理工大学,2008. 
[2] A 2.4GHz Planar Printed Antenna with Omni-directional Horizontally Polarized Pattern 
for WLAN Applications [C].Microwave Conference 2003.European.2003:1275-1278 Vol.3. 
[3] G.Ultrahigh-frequency loop antennas[J].Transactions of the American Institute of 
Electrical Engineers,1941,59(12):843-848. 
[4]R&S SMW200A Vector Signal Generator User Manual [J]. 
[5]全向水平极化天线的研究[D].厦门大学,2014. 
[6]H.R.Chuang,L.-C.Kuo.3-D FDTD design analysis of A 2.4GHz polarization-diversity 
printed dipole-antenna with integrated balun and polarization-switching circuit for WLAN and wireless communication applications . IEEE Trans. Microw. Theory 
Tech.2003(51):374-381 
责任编辑:程玥
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