电力通信|共面波导(CPW)馈电单极子天线的设计与研究

水暖之家讯：摘 要：给出一种工作于900MHz的共面波导(CPW)馈电单极子天线的设计。该单极子天线以共面波导的中心导带为辐射单极子，以中心导带两边的金属导体作反射板，结构简单紧凑。但是由于天线与共面波导之间缺少有效的隔离，造成天线性能受共面波导尺寸的影响较严重。本文通过模拟计算和实验测量详细分析了共面波导尺寸的变化对天线性能的影响，给出了结合共面波导尺寸设计的工作在900 MHz的单极子天线结构数据。
关键词：单极子天线， 共面波导， 模拟计算， 设计制作 

1引言
单极子天线由于尺寸小、结构紧凑而在当今各类通信设备中被广泛应用，其研究设计也因此受到广泛关注。近几年随着移动通信技术的飞速发展，新的技术要求产生了多种新的单极子天线设计方案，如文献［1］提出一种通过附加两个开路单极子实现双频工作的天线结构；文献［2］给出了一种可较大幅度缩小单极子天线尺寸的设计方案；文献［3］介绍了一种采用高介电常数介质材料来缩小天线尺寸的设计方案；文献［4］提出了一种弯曲折叠单极子天线结构。
典型的单极子天线通常由同轴线馈电，以同轴线的内导体作为辐射体，置于金属反射板之上，同轴线的外导体则与反射板相接［5，6］。实际应用中通常借用设备的金属外壳作为反射板，因此同轴线馈电的单极子天线通常适用于带金属外壳的通信设备［7］。对于不带金属外壳的通信设备，通常采用的单极子天线可有两种设计方案，其一是为天线设计专用金属反射板；其二是借用设备中的其他金属体，如微带线、共面波导、带状线等传输线的金属底板。两种方案相比，后者由于省去了一块附加金属板，可使结构更加紧凑，因而更具实用价值。实际应用中具体采用哪一种馈电结构则取决于天线的前置电路采用的传输线结构［8～10］。该设计方案存在的问题是天线与前置电路之间缺少有效的隔离，相互影响较为严重，尤其制作电路的传输线的金属底板尺寸直接影响天线的工作频率，因此设计这类单极子天线时须结合制作电路的传输线的尺寸作整体设计。
本文给出了一种共面波导(CPW)馈电单极子天线的设计，该单极子天线以共面波导的中心导带为辐射单极子，以中心导带两边的金属导体作反射板，结构简单紧凑。文献［10］中研究的天线结构虽然也由CPW馈电，但它采用的是带金属底板的CPW，这种CPW的性能类似于微带线，而且文献［10］只给出了一种特定尺寸CPW馈电时的天线结构及其性能参数。本文结合馈电结构研究了该单极子天线的性能参数与设计，为充分考察CPW的尺寸对天线性能的影响，对CPW取多种不同尺寸时的天线结构进行了模拟计算、样品制作和实验测量，据此总结出了CPW尺寸的变化对天线性能影响的规律。本文工作主要针对900MHz移动通信系统，因此文中天线与CPW的尺寸都是考虑了通信设备的实际要求而选择的。
2模拟设计与分析
本文研究的CPW馈电单极子天线的结构如图1所示，图中的CPW不带金属底板，由CPW延伸出来的金属条带即起辐射作用的单极子。

　

该结构简单紧凑，其中天线与馈电的CPW实际上已形成了一个整体。一般CPW馈电或微带线馈电的天线通常都存在天线对馈线的影响问题，如典型的CPW馈电的环天线或微带线馈电的贴片天线，天线的影响使得天线附近的馈线都不能看作只存在传输模式的通常的传输线，但馈线结构通常对天线并不存在决定性的影响，而图1所示天线结构不仅天线对馈电的CPW存在影响，不同的CPW结构显然对天线也有着决定性的影响，因为CPW的金属导体对天线还有着反射板的作用。
不难看出，该天线结构中影响天线性能指标的参数应包括单极子金属条带的长和宽、CPW的长和宽，以及所用介质基板的参数。本文所用介质基板的相对介电常数εr为16.0，厚度为1mm。选用高介电常数的介质基板是为了缩短单极子金属条带的长度，从而减小整个天线的尺寸。为方便测量CPW的特性阻抗设计为50Ω，这时CPW中心导带的宽度可取2.0mm，中心导带与两边金属导体的间隔则应为1.0mm。为简化设计，图1中单极子金属条带的宽度未作改变也取为2.0mm，其长度则取决于天线的工作频率。
天线的分析计算借助于商用模拟计算软件IE3D来进行，该软件采用矩量法结合谱域分析方法来处理分层介质结构中的场问题。实际计算时以CPW的起始端作为输入端，将图1所示结构作为一个整体来做三维场分析。这样，图1中的CPW就不仅有CPW的传输模式场，而且存在辐射场，因此天线与CPW的交界面实际上并不作为分界面来处理。
图2给出了一组单极子金属条带长度Lm取不同数值时天线输入端反射系数的频率特性曲线，图中CPW的长Lt和宽Wt分别取50mm和46mm。由图可见该单极子天线有着良好的宽带特性，Lm取不同数值时，该天线都具有超过10%的带宽，Lm的变化改变的仅仅是工作频率。3种尺寸中Lm取58mm时天线的中心频率约为900MHz，满足VSWR≤2.0的频率范围为860MHz～960MHz，该频率范围即900MHz移动通信通常的工作频率。由于介质基板的作用，使该天线金属条带的长度Lm仅有1/4波长的2/3左右。

我们知道常规单极子天线与偶极子天线都属于窄带天线，工作频带一般不超过5%，要实现10%以上的工作带宽则需要对天线结构作进一步的改进，如当单极子为同轴线的内导体时则需要加大内导体的半径。文献［10］中采用的方法是将单极子金属条带设计为三角形的结构。图1所示单极子天线起辐射作用的金属条带仅2mm宽，但已可实现10%以上的工作带宽，这说明CPW馈电的单极子天线结构并不需要作展宽频带的努力即可应用于900MHz移动通信设备，因为10%的工作带宽正是900MHz移动通信设备的带宽要求。
图3所示天线输入端反射系数和增益的频率特性曲线是在Lm保持58mm不变，CPW的宽度Wt也保持46mm不变而其长度Lt取不同数值时的结果。如图所示，CPW长度Lt的变化对天线工作频率的影响十分明显，这说明对应于不同尺寸的CPW，要使天线设计工作在同一频段，所需单极子金属条带的长度是不同的，并且Lt的变化对天线增益也有一定的影响。

　
图3 CPW馈电单极子天线的频率特特性随CPW长度Lt的变化（Lm=58mm,Wt=46mm）

图4中的曲线是在Lm保持58mm不变，CPW的长度Lt也保持50mm不变而其宽度Wt取不同数值时的结果。通常Wt的变化会引起CPW特性阻抗的变化，这时为使CPW保持50Ω的特性阻抗，便需要改变中心金属条带或中心金属条带与两边金属板之间间隔的尺寸，为不使变动太大，图中不同曲线Wt的变化限制在了一个较小的范围内，在该范围内由Wt的变化而引起的CPW特性阻抗的变化可以忽略。由图可见Wt的变化对天线性能的影响相对较小，Wt的变化基本不影响天线的工作频率，但对天线的工作带宽有着一定的影响，比较图中的3条曲线可以看出，该单极子天线的工作带宽随着Wt的减小而增加，主要是改善了天线工作频带的高端，天线工作频带的低端则基本保持不变。

　

3制作与测量
围绕以上模拟计算的结构数据可以制作出多个CPW馈电的单极子天线实验样品。实际制作的天线结构与模拟计算的天线结构之间主要差距在于介质基片，模拟计算时介质基片的横向尺寸是假设为无限大的，实际制作时显然不可能将天线制作在无限大的介质基片上，并且从实际使用的角度出发，介质基片通常即取与金属导体相同的尺寸，根据经验，这样制作出来的天线的性能指标与模拟计算的天线的性能指标之间存在一定的偏差，但偏差一般不会太大。测量时在CPW的输入端接上SMA接头，测量工作便可以在网络分析仪上进行。
图5为单极子金属条带长度Lm分别取70mm和65mm时天线输入端反射系数频率特性的测量数据，被测天线CPW的长Lt和宽Wt都取50mm。由图可见Lm取65mm时的单极子天线可在855MHz～970MHz范围内满足VSWR≤2.0的工作条件。显然，天线的频率特性与模拟计算的结果基本一致，但具体尺寸上存在一定的偏差，关于单极子长度Lt的误差约为10%，考虑到介质基板的差异，这样的误差应在预计范围之内。
图6为Lm保持65mm不变，CPW的宽度Wt也保持50mm不变而其长度Lt分别取不同数值时的测量结果。如图所示，Lt取40mm时，满足VSWR≤2.0的频率范围为860MHz～975 MHz；Lt取30mm时该频率范围为880MHz～1000MHz。显然该结果验证了图3中模拟计算的结论。

　


图7为测量获得的CPW馈电单极子天线工作于900MHz时的辐射方向图，被测天线的尺寸为Lm=65mm、Wt=50mm、Lt=40mm，方向图测量在微波暗室中进行。如图所示该单极子天线在H面具有良好的全向特性，轻微的不对称主要源于介质基板的影响；其E面方向图则类似于通常的偶极子天线，不同的是该方向图在馈线方向的零点不是十分明显，由于该方向的测量数据受到同轴馈线的影响，因而测量数据存在一定的误差。
4结论
根据以上模拟计算和实验测量的结果可知，CPW馈电的单极子天线的特性与带反射板的典型单极子天线基本类似，该天线设计工作在900MHz时可实现超过10%的工作带宽，因此可以用作工作于该频段的小型移动通信设备如手提电话等的收发天线，但是设计该天线必须将天线与CPW作为一个整体来考虑，否则无法正确设计天线的工作频率，而且在可能的情况下选择合适的CPW的尺寸还可以达到改善天线工作性能的目的。

　

参考文献

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