基于雙錐同軸饋電的吸頂天線(xiàn)優(yōu)化設計　

作者/ 高鵬鵬1 姚金杰1，2 1.中北大學(xué) 信息探測與處理技術(shù)山西省重點(diǎn)實(shí)驗室(山西 太原 030051) 2.中國兵器淮海工業(yè)集團(山西 長(cháng)治 046012)

*基金項目：國家自然科學(xué)基金(編號：61571404,61471325)

　　高鵬鵬(1993-)，女，碩士，研究方向：信息探測與信號處理;姚金杰，男，博士，講師，研究方向：無(wú)線(xiàn)傳感器網(wǎng)絡(luò )、毫米波技術(shù)。

摘要：本文提出了一種基于同軸饋電微帶天線(xiàn)的室內移動(dòng)通信設計，在吸頂天線(xiàn)的基礎上，優(yōu)化天線(xiàn)的性能，完成信號的收發(fā)和速度的平滑處理。通過(guò)設置天線(xiàn)的物理特性，獲得更多的增益，提升其發(fā)射性能，且不需要在電流上做更多復雜的處理。HFSS的仿真數據表明，該設計可以在4.0GHz的工作頻率上得到更多的增益，也有各自的全方向半功率波束寬度。

引言

　　室內移動(dòng)通信，即信號的室內覆蓋。如會(huì )場(chǎng)、賓館、辦公室、電影院、住宅等場(chǎng)所，采用室內分布式系統來(lái)覆蓋。吸頂天線(xiàn)^[1]因其具有外形美觀(guān)，不影響室內觀(guān)瞻，功率小等優(yōu)點(diǎn)，廣泛 地應用于室內移動(dòng)通信系統中，實(shí)現信號的覆蓋和信息的傳輸。隨著(zhù)全球信息化的快速發(fā)展，室內天線(xiàn)覆蓋也在不斷地改進(jìn)，來(lái)滿(mǎn)足日益密集的室內空間對信號強度和質(zhì)量的需求。

　　吸頂天線(xiàn)可以追溯到1973年R.E.Munson提出的微帶天線(xiàn)單元設計和1974年J.Q.Howell研究設計的基本矩形微帶貼片天線(xiàn)。到現在，吸頂天線(xiàn)已經(jīng)有大量的在室內信號傳輸方面的應用。一般的室內吸頂天線(xiàn)，白色向下的帽是天線(xiàn)體，往外輻射信號;向上彎曲的繩子是饋線(xiàn)^[2]，把信號從移動(dòng)基站引入到天線(xiàn)。按照國家標準，在寬頻帶內工作的天線(xiàn)，其駐波比指標為VSWR≤2，當然，能達到VSWR≤1.5更好^[3]。

　　傳統的雙錐天線(xiàn)^[4]，削弱其終端反射的影響可以確保天線(xiàn)的電流分布，只有在一定長(cháng)度的饋電點(diǎn)，才存在有效電流影響天線(xiàn)的輻射特性和阻抗特性。部分天線(xiàn)的參數會(huì )隨著(zhù)天線(xiàn)的延伸而快速衰減，使得天線(xiàn)類(lèi)型和天線(xiàn)阻抗取決于有效相關(guān)電流的長(cháng)度，而不影響擴展長(cháng)度的協(xié)議。因此，天線(xiàn)的實(shí)際長(cháng)度不會(huì )改變。在工作頻率、有效面積對天線(xiàn)性能有顯著(zhù)影響的同時(shí)，也會(huì )適應頻率的變化。這是符合寬頻帶工作天線(xiàn)的設計要求的。

　　本文在天線(xiàn)設計的基礎上，對其進(jìn)行優(yōu)化設計，基于傳輸和天線(xiàn)模型，設計了同軸饋電天線(xiàn)^[5]，主要采用上下椎體和透射線(xiàn)結構。通過(guò)調整錐形的開(kāi)口角度來(lái)提高天線(xiàn)的駐波比，使其能在寬頻帶中工作;通過(guò)控制天線(xiàn)的輻射方向，從而簡(jiǎn)單地調整上下椎體的不對稱(chēng);最后通過(guò)HFSS仿真，驗證了優(yōu)化設計參數的有效性。

1 設計過(guò)程

　　電壓駐波比(Voltage Standing-Wave Ratio，VSWR)^[6]通過(guò)調整上下椎體的角度，其特性阻抗、天線(xiàn)的輻射模式也將得到相應的調整。除此之外，我們還要改進(jìn)新的結構參數和補償方法。設計吸頂天線(xiàn)的端口特性阻抗為50 ，模式全方位，電壓駐波比小于2，寬帶頻率范圍且中心頻率約為4GHz的吸頂天線(xiàn)，能夠有效的減少反射。確定合適的錐角，以實(shí)現寬頻帶，高增益和全方位。

1.1 錐角優(yōu)化

　　理論上講，在錐角較大，尤其是接近90°時(shí)，輸入阻抗與特性阻抗越接近，其輸入電抗將接近于零。但通過(guò)實(shí)際的仿真和實(shí)驗，證明錐角為60°時(shí)空間輻射的增益最優(yōu)，能夠實(shí)現最好的寬帶特性^[7]。然而在本文中，為了確保雙錐形天線(xiàn)具有良好的全向特性，我們將雙錐形設計為高度相同、開(kāi)口的底部直徑相同，并與同軸傳輸線(xiàn)連接，錐體的開(kāi)口角度稍減小，不再是60°。

1.2 傳輸線(xiàn)的選擇

　　根據全向吸頂天線(xiàn)的設計要求，我們選擇同軸電纜作為波導傳輸線(xiàn)^[8]。由于選擇的天線(xiàn)是上下雙錐結構，是典型的雙導體同軸傳輸系統，主要傳輸TEM波。要使設計天線(xiàn)工作在寬頻帶，且能夠傳輸TEM波，能夠實(shí)現TE、TM波的混合和復雜處理，同軸電纜完全符合設計要求。

1.3 特性阻抗的分析

　　在以上的選擇設計前提下，同軸傳輸線(xiàn)有：

　(1)

　　上式中，a和b分別是同軸的芯半徑和整體的半徑， ε為相對介電常數。根據同軸電纜的規格，當同軸線(xiàn)的內外半徑比例達到1.65，同軸電纜將達到最大傳輸功率。當比例達到3.1時(shí)，同軸電纜達到最佳電壓穿透率。當我們設定負載的輸入阻抗為50Ω，此時(shí)內外半徑之比值為3.1，我們選用同軸的芯半徑為0.255mm，外半徑為0.835mm與之匹配。

1.4 同軸電纜長(cháng)度的確定

　　由設計要求，同軸電纜長(cháng)度參數曲線(xiàn)如圖1，綜合分析回波損耗、電壓駐波比，增益、阻抗匹配及輸入阻抗，最佳的同軸電纜長(cháng)度應為15mm。

2 天線(xiàn)性能與仿真分析

　　為了模擬和分析各種參數的雙錐吸頂天線(xiàn)的性能，我們使用HFSS三維電磁仿真軟件，主要針對回波損耗、駐波比、Smith圓圖、輸入阻抗等性能，仿真結果如圖2~圖5。

2.1 回波損耗

　　由圖2可知，天線(xiàn)設計圍繞的中心頻率約為4GHz，且回波損耗小于15dB，達到了中心頻率的技術(shù)要求。

2.2 電壓駐波比

　　由圖3可以看出，在中心頻率為4GHz時(shí)，電壓駐波比達到1.4，而VSWR≤2.0的帶寬達到800MHz(3.7GHz~4.5GHz)，相對帶寬約為20%，符合寬頻帶工作天線(xiàn)電壓駐波比小于2.0的要求。

2.3 Smith圓圖

　　由圖4可知，雙錐吸頂天線(xiàn)的阻抗匹配是可以實(shí)現的。當中心頻率為4GHz時(shí)，其歸一化阻抗約為1。

2.4 輸入阻抗

　　輸入阻抗是阻抗匹配的關(guān)鍵，由于傳輸線(xiàn)和其他電子線(xiàn)路如輸入端口阻抗，其本質(zhì)上是等效阻抗，因此我們可以將天線(xiàn)的輸入阻抗通過(guò)HFSS直接表現出來(lái)。由圖5可知，在中心頻率為4GHz的室內天線(xiàn)設計中，輸入阻抗約為(59-j17) ，比較接近理論分析，而且更容易匹配，同時(shí)也滿(mǎn)足50 的輸入阻抗要求。

2.5 模式

　　天線(xiàn)方向圖是方向函數的圖形表示，它用來(lái)描述天線(xiàn)輻射特性隨著(zhù)空間方向坐標的變化，輻射特性有輻射強度、場(chǎng)強、相位和極化，通常在遠場(chǎng)半徑為常數的大球面上討論。天線(xiàn)輻射(接收)的功率或場(chǎng)強隨位置方向坐標的變化規律，分別稱(chēng)為功率方向圖或場(chǎng)強方向圖。在定義輻射表面的基礎上，利用HFSS軟件進(jìn)行仿真，E面、H面和3D方向圖分別如圖6和圖7所示。

　　由3D仿真圖可以看出，設計在各個(gè)方向的增益都是最強的，基本滿(mǎn)足天線(xiàn)全向性的設計要求。

3 結論

　　本文提出了一種新型同軸饋電微帶的設計，在傳統天線(xiàn)的基礎上，進(jìn)行錐角優(yōu)化、天線(xiàn)選擇、特性阻抗分析，選擇同軸設計的長(cháng)度和形狀優(yōu)化，并通過(guò)HFSS進(jìn)行模擬仿真。設計結果表明，優(yōu)化后的同軸饋電微帶天線(xiàn)可以滿(mǎn)足4GHz的工作頻率，天線(xiàn)達到最大增益時(shí)的駐波比為1.4，滿(mǎn)足寬頻帶全向天線(xiàn)的設計要求。這種設計方式是天線(xiàn)設計的基礎，在室內通信和定位領(lǐng)域上，具有很強的工程應用價(jià)值。

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　　本文來(lái)源于《電子產(chǎn)品世界》2017年第9期第37頁(yè)，歡迎您寫(xiě)論文時(shí)引用，并注明出處。