一種新型電感加載寬頻帶GSM/3G/WIFI單極天線

李峰　魏亮　劉永霞

摘 要： 設計了一種采用感性加載方式的工作于0.8～2.5 GHz的寬頻帶GSM/3G/WIFI單極子天線，通過仿真和實際測試發(fā)現(xiàn)這種加載方式在實現(xiàn)了良好阻抗匹配的情況下對天線方向圖無明顯影響。該天線具有全頻段內增益高，方向圖良好，阻抗頻帶寬的特點，由于采用了感性加載的阻抗匹配方式，實現(xiàn)了直流接地雷電防護功能，非常適合安裝于機載環(huán)境。

關鍵詞： 電感加載； 單極天線； 寬頻帶天線； 機載天線

中圖分類號： TN925?34 文獻標識碼： A 文章編號： 1004?373X（2014）09?0070?03

0 引 言

機載天線通常要求具有小的尺寸、輕的重量和良好的氣動性能。平面印刷單極天線因其結構簡單、尺寸小、易于設計和制造、方向圖在阻抗頻帶內變化小，是機載天線最常用的結構形式[1?4]。單極結構的機載天線安裝于機身外表面時，機身蒙皮成為單極天線的地，可以為單極天線提供良好的性能。

通常情況下，[14]波長的單極天線是窄帶的，天線阻抗帶寬在1%～5%之間[5]。但單極天線可以通過多種技術實現(xiàn)寬頻帶乃至超寬頻帶工作。這些技術包括增加單極天線尺寸、接地、改變平面單極天線切角、叉形饋電[6]、使用匹配網絡等。通常所使用的增加單極天線帶寬的方法是上述方法的綜合。

1 天線設計

該天線的結構示意圖如圖1所示。

如圖1所示帶張角的平面單極天線的輸入阻抗（單位：Ω）為：

[Zin=60ln[cot（θ4）]]

式中[θ]為天線張角的度數(shù)。但上式僅對天線長度為無限長時準確。對長度受限的帶張角平面單級天線，天線阻抗帶寬與天線長度有關。

圖1 寬頻帶刀形單極子天線結構圖

該天線工作在0.8～2.5 GHz，最低工作頻率0.8 GHz時對應[14]波長（單位：m）為：

[λ4=3×1084×0.8×109≈0.09]

為確保天線在工作頻率低端的增益，天線高度定為9 cm。天線寬度[w]及張角[θ]由仿真進行參數(shù)分析得出。經仿真優(yōu)化，確定天線參數(shù)如下：[w=]41 mm，[y=]52 mm，天線張角[θ=110°。]

此時天線在絕大多數(shù)工作頻段電壓駐波比小于2，但仍然無法在整個工作頻段上使天線電壓駐波比小于2。因此采用電感加載方式實現(xiàn)天線阻抗帶寬的進一步擴展，考慮到天線承受功率的要求，加入的電感為2 μH空心電感。此時由仿真得到的天線電壓駐波比如圖2所示。由圖2可以看出，天線全頻段電壓駐波比小于1.8，滿足技術指標要求?？梢姴捎秒姼屑虞d方式可以非常有效地擴展平面單極天線的阻抗帶寬。針對實際應用而言，空心電感加載型天線使天線輻射體實現(xiàn)了可靠的直流接地，從而具有雷電防護功能，非常適合應用于機載環(huán)境。

圖2 天線電壓駐波比

由仿真得到的天線增益及方向圖如圖3～圖5所示，天線水平面最低增益大于-1 dB?？梢钥闯觯炀€采用感性加載對方向圖無明顯的影響，天線水平面方向圖仍然為全向。

圖3 0.85 GHz增益及方向圖

圖4 1.9 GHz增益及方向圖

圖5 2.4 GHz增益及方向圖

為使天線具備安裝于飛機上的良好的環(huán)境適應性，天線罩采用帶有良好氣動外形的玻璃鋼制成，天線實物圖如圖6所示。

圖6 天線實物圖

2 實測結果

在微波暗室內實測天線方向圖如圖7～圖9所示，測試坐標定義如圖10所示。

圖7 0.85 GHz方向圖

圖8 1.9 GHz方向圖

圖9 2.4 GHz方向圖

圖10 坐標定義

可以看出，新型天線方向圖良好，水平面為無方向性。在2.4 GHz天線方向圖出現(xiàn)多個副瓣，這主要是由天線電長度增加后引起的反向電流造成，但天線主瓣仍然具有良好的增益和水平面無方向性。

實測天線電壓駐波比如圖11所示，可以看出天線在0.8～2.5 GHz電壓駐波比小于1.8，全頻段內阻抗匹配良好。

3 結 論

本文通過仿真和實際測試，設計出了一種采用感性加載方式的工作于0.8～2.5 GHz的寬頻帶GSM/3G/WIFI單極子天線，這種加載方式實現(xiàn)了天線在工作頻帶內的良好阻抗匹配，且對天線方向圖未帶來明顯的不良影響。該天線具有全頻段內增益高，方向圖良好，阻抗頻帶寬的特點，由于采用了感性加載的阻抗匹配方式，實現(xiàn)了直流接地雷電防護功能，非常適合安裝于機載環(huán)境，具有良好的應用前景。

圖11 天線電壓駐波比測試結果

參考文獻

[1] ORTMAN G J. Antenna engineering handbook [M]. New York： McGraw?Hill， 2007.

[2] ELDEK A A. Numerical analysis of a small ultra?wideband microstrip?fed tap monopole antenna [J]. Progress in Electromagnetics Research， 2006， 65：59?69.

[3] SADAT S， FARDIS M， GERAN F， et al. A compact microstrip square?ring slot antenna for UWB application [C]// Proceedings of IEEE Antennas and Propagation Society International Symposium. Albuquerque， NM： IEEE， 2006： 4629?4632.

[4] AMMANN M J. Square planar monopole antenna [C]// Proceedings of Insternational Elect Eng Nat Conference on Antennas Propag. UK： [s.n.]，1999： 37?40.

[5] 王元坤.線天線的寬頻帶技術[M].西安：西安電子科技大學出版社，1995.

[6] ANTONINO?DAVIU E， CABEDO?FABRES M， FERRANDO?BATALLER M， et al. Wideband double?fed planar monopole antennas [J]. Electron Letters， 2003， 39： 1635?1636.

摘 要： 設計了一種采用感性加載方式的工作于0.8～2.5 GHz的寬頻帶GSM/3G/WIFI單極子天線，通過仿真和實際測試發(fā)現(xiàn)這種加載方式在實現(xiàn)了良好阻抗匹配的情況下對天線方向圖無明顯影響。該天線具有全頻段內增益高，方向圖良好，阻抗頻帶寬的特點，由于采用了感性加載的阻抗匹配方式，實現(xiàn)了直流接地雷電防護功能，非常適合安裝于機載環(huán)境。

關鍵詞： 電感加載； 單極天線； 寬頻帶天線； 機載天線

中圖分類號： TN925?34 文獻標識碼： A 文章編號： 1004?373X（2014）09?0070?03

0 引 言

機載天線通常要求具有小的尺寸、輕的重量和良好的氣動性能。平面印刷單極天線因其結構簡單、尺寸小、易于設計和制造、方向圖在阻抗頻帶內變化小，是機載天線最常用的結構形式[1?4]。單極結構的機載天線安裝于機身外表面時，機身蒙皮成為單極天線的地，可以為單極天線提供良好的性能。

通常情況下，[14]波長的單極天線是窄帶的，天線阻抗帶寬在1%～5%之間[5]。但單極天線可以通過多種技術實現(xiàn)寬頻帶乃至超寬頻帶工作。這些技術包括增加單極天線尺寸、接地、改變平面單極天線切角、叉形饋電[6]、使用匹配網絡等。通常所使用的增加單極天線帶寬的方法是上述方法的綜合。

1 天線設計

該天線的結構示意圖如圖1所示。

如圖1所示帶張角的平面單極天線的輸入阻抗（單位：Ω）為：

[Zin=60ln[cot（θ4）]]

式中[θ]為天線張角的度數(shù)。但上式僅對天線長度為無限長時準確。對長度受限的帶張角平面單級天線，天線阻抗帶寬與天線長度有關。

圖1 寬頻帶刀形單極子天線結構圖

該天線工作在0.8～2.5 GHz，最低工作頻率0.8 GHz時對應[14]波長（單位：m）為：

[λ4=3×1084×0.8×109≈0.09]

為確保天線在工作頻率低端的增益，天線高度定為9 cm。天線寬度[w]及張角[θ]由仿真進行參數(shù)分析得出。經仿真優(yōu)化，確定天線參數(shù)如下：[w=]41 mm，[y=]52 mm，天線張角[θ=110°。]

此時天線在絕大多數(shù)工作頻段電壓駐波比小于2，但仍然無法在整個工作頻段上使天線電壓駐波比小于2。因此采用電感加載方式實現(xiàn)天線阻抗帶寬的進一步擴展，考慮到天線承受功率的要求，加入的電感為2 μH空心電感。此時由仿真得到的天線電壓駐波比如圖2所示。由圖2可以看出，天線全頻段電壓駐波比小于1.8，滿足技術指標要求?？梢姴捎秒姼屑虞d方式可以非常有效地擴展平面單極天線的阻抗帶寬。針對實際應用而言，空心電感加載型天線使天線輻射體實現(xiàn)了可靠的直流接地，從而具有雷電防護功能，非常適合應用于機載環(huán)境。

圖2 天線電壓駐波比

由仿真得到的天線增益及方向圖如圖3～圖5所示，天線水平面最低增益大于-1 dB?？梢钥闯?，天線采用感性加載對方向圖無明顯的影響，天線水平面方向圖仍然為全向。

圖3 0.85 GHz增益及方向圖

圖4 1.9 GHz增益及方向圖

圖5 2.4 GHz增益及方向圖

為使天線具備安裝于飛機上的良好的環(huán)境適應性，天線罩采用帶有良好氣動外形的玻璃鋼制成，天線實物圖如圖6所示。

圖6 天線實物圖

2 實測結果

在微波暗室內實測天線方向圖如圖7～圖9所示，測試坐標定義如圖10所示。

圖7 0.85 GHz方向圖

圖8 1.9 GHz方向圖

圖9 2.4 GHz方向圖

圖10 坐標定義

可以看出，新型天線方向圖良好，水平面為無方向性。在2.4 GHz天線方向圖出現(xiàn)多個副瓣，這主要是由天線電長度增加后引起的反向電流造成，但天線主瓣仍然具有良好的增益和水平面無方向性。

實測天線電壓駐波比如圖11所示，可以看出天線在0.8～2.5 GHz電壓駐波比小于1.8，全頻段內阻抗匹配良好。

3 結 論

本文通過仿真和實際測試，設計出了一種采用感性加載方式的工作于0.8～2.5 GHz的寬頻帶GSM/3G/WIFI單極子天線，這種加載方式實現(xiàn)了天線在工作頻帶內的良好阻抗匹配，且對天線方向圖未帶來明顯的不良影響。該天線具有全頻段內增益高，方向圖良好，阻抗頻帶寬的特點，由于采用了感性加載的阻抗匹配方式，實現(xiàn)了直流接地雷電防護功能，非常適合安裝于機載環(huán)境，具有良好的應用前景。

圖11 天線電壓駐波比測試結果

參考文獻

[1] ORTMAN G J. Antenna engineering handbook [M]. New York： McGraw?Hill， 2007.

[2] ELDEK A A. Numerical analysis of a small ultra?wideband microstrip?fed tap monopole antenna [J]. Progress in Electromagnetics Research， 2006， 65：59?69.

[3] SADAT S， FARDIS M， GERAN F， et al. A compact microstrip square?ring slot antenna for UWB application [C]// Proceedings of IEEE Antennas and Propagation Society International Symposium. Albuquerque， NM： IEEE， 2006： 4629?4632.

[4] AMMANN M J. Square planar monopole antenna [C]// Proceedings of Insternational Elect Eng Nat Conference on Antennas Propag. UK： [s.n.]，1999： 37?40.

[5] 王元坤.線天線的寬頻帶技術[M].西安：西安電子科技大學出版社，1995.

[6] ANTONINO?DAVIU E， CABEDO?FABRES M， FERRANDO?BATALLER M， et al. Wideband double?fed planar monopole antennas [J]. Electron Letters， 2003， 39： 1635?1636.

摘 要： 設計了一種采用感性加載方式的工作于0.8～2.5 GHz的寬頻帶GSM/3G/WIFI單極子天線，通過仿真和實際測試發(fā)現(xiàn)這種加載方式在實現(xiàn)了良好阻抗匹配的情況下對天線方向圖無明顯影響。該天線具有全頻段內增益高，方向圖良好，阻抗頻帶寬的特點，由于采用了感性加載的阻抗匹配方式，實現(xiàn)了直流接地雷電防護功能，非常適合安裝于機載環(huán)境。

關鍵詞： 電感加載； 單極天線； 寬頻帶天線； 機載天線

中圖分類號： TN925?34 文獻標識碼： A 文章編號： 1004?373X（2014）09?0070?03

0 引 言

機載天線通常要求具有小的尺寸、輕的重量和良好的氣動性能。平面印刷單極天線因其結構簡單、尺寸小、易于設計和制造、方向圖在阻抗頻帶內變化小，是機載天線最常用的結構形式[1?4]。單極結構的機載天線安裝于機身外表面時，機身蒙皮成為單極天線的地，可以為單極天線提供良好的性能。

通常情況下，[14]波長的單極天線是窄帶的，天線阻抗帶寬在1%～5%之間[5]。但單極天線可以通過多種技術實現(xiàn)寬頻帶乃至超寬頻帶工作。這些技術包括增加單極天線尺寸、接地、改變平面單極天線切角、叉形饋電[6]、使用匹配網絡等。通常所使用的增加單極天線帶寬的方法是上述方法的綜合。

1 天線設計

該天線的結構示意圖如圖1所示。

如圖1所示帶張角的平面單極天線的輸入阻抗（單位：Ω）為：

[Zin=60ln[cot（θ4）]]

式中[θ]為天線張角的度數(shù)。但上式僅對天線長度為無限長時準確。對長度受限的帶張角平面單級天線，天線阻抗帶寬與天線長度有關。

圖1 寬頻帶刀形單極子天線結構圖

該天線工作在0.8～2.5 GHz，最低工作頻率0.8 GHz時對應[14]波長（單位：m）為：

[λ4=3×1084×0.8×109≈0.09]

為確保天線在工作頻率低端的增益，天線高度定為9 cm。天線寬度[w]及張角[θ]由仿真進行參數(shù)分析得出。經仿真優(yōu)化，確定天線參數(shù)如下：[w=]41 mm，[y=]52 mm，天線張角[θ=110°。]

此時天線在絕大多數(shù)工作頻段電壓駐波比小于2，但仍然無法在整個工作頻段上使天線電壓駐波比小于2。因此采用電感加載方式實現(xiàn)天線阻抗帶寬的進一步擴展，考慮到天線承受功率的要求，加入的電感為2 μH空心電感。此時由仿真得到的天線電壓駐波比如圖2所示。由圖2可以看出，天線全頻段電壓駐波比小于1.8，滿足技術指標要求。可見采用電感加載方式可以非常有效地擴展平面單極天線的阻抗帶寬。針對實際應用而言，空心電感加載型天線使天線輻射體實現(xiàn)了可靠的直流接地，從而具有雷電防護功能，非常適合應用于機載環(huán)境。

圖2 天線電壓駐波比

由仿真得到的天線增益及方向圖如圖3～圖5所示，天線水平面最低增益大于-1 dB?？梢钥闯?，天線采用感性加載對方向圖無明顯的影響，天線水平面方向圖仍然為全向。

圖3 0.85 GHz增益及方向圖

圖4 1.9 GHz增益及方向圖

圖5 2.4 GHz增益及方向圖

為使天線具備安裝于飛機上的良好的環(huán)境適應性，天線罩采用帶有良好氣動外形的玻璃鋼制成，天線實物圖如圖6所示。

圖6 天線實物圖

2 實測結果

在微波暗室內實測天線方向圖如圖7～圖9所示，測試坐標定義如圖10所示。

圖7 0.85 GHz方向圖

圖8 1.9 GHz方向圖

圖9 2.4 GHz方向圖

圖10 坐標定義

可以看出，新型天線方向圖良好，水平面為無方向性。在2.4 GHz天線方向圖出現(xiàn)多個副瓣，這主要是由天線電長度增加后引起的反向電流造成，但天線主瓣仍然具有良好的增益和水平面無方向性。

實測天線電壓駐波比如圖11所示，可以看出天線在0.8～2.5 GHz電壓駐波比小于1.8，全頻段內阻抗匹配良好。

3 結 論

本文通過仿真和實際測試，設計出了一種采用感性加載方式的工作于0.8～2.5 GHz的寬頻帶GSM/3G/WIFI單極子天線，這種加載方式實現(xiàn)了天線在工作頻帶內的良好阻抗匹配，且對天線方向圖未帶來明顯的不良影響。該天線具有全頻段內增益高，方向圖良好，阻抗頻帶寬的特點，由于采用了感性加載的阻抗匹配方式，實現(xiàn)了直流接地雷電防護功能，非常適合安裝于機載環(huán)境，具有良好的應用前景。

圖11 天線電壓駐波比測試結果

參考文獻

[1] ORTMAN G J. Antenna engineering handbook [M]. New York： McGraw?Hill， 2007.

[2] ELDEK A A. Numerical analysis of a small ultra?wideband microstrip?fed tap monopole antenna [J]. Progress in Electromagnetics Research， 2006， 65：59?69.

[3] SADAT S， FARDIS M， GERAN F， et al. A compact microstrip square?ring slot antenna for UWB application [C]// Proceedings of IEEE Antennas and Propagation Society International Symposium. Albuquerque， NM： IEEE， 2006： 4629?4632.

[4] AMMANN M J. Square planar monopole antenna [C]// Proceedings of Insternational Elect Eng Nat Conference on Antennas Propag. UK： [s.n.]，1999： 37?40.

[5] 王元坤.線天線的寬頻帶技術[M].西安：西安電子科技大學出版社，1995.

[6] ANTONINO?DAVIU E， CABEDO?FABRES M， FERRANDO?BATALLER M， et al. Wideband double?fed planar monopole antennas [J]. Electron Letters， 2003， 39： 1635?1636.