王 亮

(中華通信系統(tǒng)有限責(zé)任公司河北分公司，河北 石家莊 050081)

一種嵌入式共形全向天線的設(shè)計(jì)

王 亮

(中華通信系統(tǒng)有限責(zé)任公司河北分公司，河北 石家莊 050081)

為了實(shí)現(xiàn)外部的通信設(shè)備上的天線具有阻力小、密閉性和良好的通信能力，設(shè)計(jì)了一款嵌入式共形全向天線，且是將天線安裝在設(shè)備內(nèi)部，并能夠保持通信設(shè)備正常運(yùn)作。對(duì)該天線的各類參數(shù)等問題進(jìn)行了討論和仿真分析，并制作出了樣機(jī)天線。對(duì)樣機(jī)天線進(jìn)行了實(shí)際測(cè)試，測(cè)試結(jié)果證實(shí)該天線能夠解決實(shí)際通信需求。

嵌入式；全向；共形天線

0 引言

隨著無線通信系統(tǒng)技術(shù)的快速發(fā)展，對(duì)天線性能以及天線的外部結(jié)構(gòu)的要求也不斷提高，常規(guī)天線已不能完全滿足現(xiàn)代通信要求，在現(xiàn)代通信中更需要成本低，便于安裝使用以及不影響通信設(shè)備實(shí)際使用且效果更好的天線。

目前發(fā)展嵌入式天線技術(shù)，有著廣泛的應(yīng)用前景和重大的現(xiàn)實(shí)意義。除了天線安裝在通信設(shè)備內(nèi)部以外，該天線與常規(guī)全向天線在原理上并沒有本質(zhì)區(qū)別，且是在常規(guī)的天線基礎(chǔ)上發(fā)展起來的，但是該天線更有利于通信設(shè)備的實(shí)際使用。

1 嵌入式共形天線的特性分析

1.1 嵌入式共形天線結(jié)構(gòu)

圖1 嵌入式共形全向天線示意圖

該類型天線的外形如圖1所示，該類型天線主要是由金屬腔、短路釘和輻射體這三部分構(gòu)成。圖中隱藏了前后方向的2個(gè)短路柱，只標(biāo)示了左右2個(gè)短路柱。

嵌入式共形全向天線采用探針在金屬腔的底部中心饋電。其中，金屬腔由金屬地板變形而來，這樣既保證天線具有類似單極天線的輻射方向圖，又可降低天線附近其他設(shè)備對(duì)天線的影響，使天線可以作為嵌入式共形天線使用。

設(shè)金屬腔的高度為h，直徑為D。天線的輻射體由一個(gè)倒立金屬椎體和椎體頂部的加載金屬盤構(gòu)成，椎體的底部與金屬腔底部留有間隙作為饋電，設(shè)椎體頂部的半徑為R，加載的金屬圓盤直徑為d。短路柱的半徑為r，以腔中心為軸，均勻分布在直徑為C的圓周上。

根據(jù)經(jīng)驗(yàn)天線最初設(shè)計(jì)尺寸為：D=70mm，h=8mm，R=10mm，d=40mm，C=40mm，r=1.5mm，且為保證天線結(jié)構(gòu)穩(wěn)定性，將短路釘?shù)膫€(gè)數(shù)定為4個(gè)，椎體和腔體底部間隙為1mm。

1.2 腔體尺寸對(duì)天線性能的影響

對(duì)腔體的尺寸(包括腔的直徑和高度)對(duì)天線的匹配性能的影響進(jìn)行了仿真分析。圖2給出了S11參數(shù)隨腔體直徑變化的一組計(jì)算結(jié)果。計(jì)算結(jié)果表明，腔體尺寸較小時(shí)，天線的回波反射損耗較大；隨著腔體直徑的增大，腔壁對(duì)單極天線的影響減小，天線的匹配帶寬增大，當(dāng)腔體的直徑D為70mm～74mm時(shí)，天線的匹配帶寬最寬；當(dāng)腔體的直徑進(jìn)一步加大時(shí)，天線的匹配帶寬又開始變窄了。

下面為腔體高度h變化相對(duì)天線的匹配性能的影響進(jìn)行分析，如圖3所示。計(jì)算曲線表明，當(dāng)高度h過小或者過大時(shí)，天線的匹配帶寬都達(dá)不到最佳，當(dāng)腔體高度h=7mm天線得到最佳匹配帶寬。

圖2 腔體直徑D變化對(duì)S11參數(shù)的影響 圖3 天線的高度h變化對(duì)S11參數(shù)的影響

1.3 輻射體尺寸對(duì)天線性能的影響

對(duì)椎體頂部的半徑R變化對(duì)天線匹配性能的影響進(jìn)行了仿真分析，計(jì)算得到的曲線如圖4所示。計(jì)算結(jié)果表明，當(dāng)錐頂半徑較小時(shí)(即：R=4mm),天線的匹配帶寬較差；隨著錐頂半徑增大，天線的匹配帶寬越來越好，當(dāng)R=10mm左右，天線的匹配帶寬最佳；但是當(dāng)錐體頂端半徑持續(xù)增加后，該天線的匹配頻帶會(huì)變差。

對(duì)加載盤直徑d變化對(duì)天線匹配性能的影響進(jìn)行分析計(jì)算，計(jì)算的結(jié)果如圖5所示。從圖中可以看出：加載盤的直徑過小時(shí)(d=10mm)，或者當(dāng)加載盤的直徑過大時(shí)(d=70mm),天線的匹配性能都比較差；當(dāng)加載盤取一個(gè)適當(dāng)?shù)闹?d=44mm)，天線的匹配特性最佳。分析其原因：當(dāng)加載的盤過于小時(shí)，就與沒有加載一樣；而當(dāng)加載盤過于大時(shí)，加載盤和腔體會(huì)形成一個(gè)電容而直接影響天線的輻射效率，經(jīng)過進(jìn)一步分析研究發(fā)現(xiàn)將選擇合適的圓形加載盤改為梅花狀可將天線的輻射效率得到進(jìn)一步提升。

圖4 錐頂半徑R變化對(duì)S11參數(shù)的影響 圖5 加載盤直徑d的變化對(duì)S11參數(shù)的影響

1.4 短路釘尺寸對(duì)天線性能的影響

分析計(jì)算了短路釘所處圓周直徑C的變化對(duì)天線匹配性能的影響，得到的曲線如圖6所示。從圖上可以看出：當(dāng)C很小時(shí)(C=10mm),天線的匹配特性很差；但是隨著C的增大，天線的匹配性能會(huì)逐漸變好，當(dāng)C=36mm時(shí)，天線匹配帶寬達(dá)到最大；但是當(dāng)C接連增大后，天線的匹配性能又開始變差。

對(duì)短路釘?shù)陌霃絩變化對(duì)天線匹配性能的影響進(jìn)行了分析，得到的曲線如圖7所示。從圖中可以看出，當(dāng)r=1.5mm時(shí)，該天線的匹配帶寬才達(dá)到了最佳平衡點(diǎn)。

圖6 短路釘圓周直徑C變化對(duì)S11參數(shù)影響 圖7 短路釘半徑r變化對(duì)S11參數(shù)的影響

經(jīng)過上述分析，通過優(yōu)化設(shè)計(jì)得到了一組最佳的參數(shù)：D=74mm，h=8mm，R=10mm，d=44mm，C=38mm，r=1.5mm，短路釘個(gè)數(shù)為4個(gè)，椎體和腔體底部間隙是1mm。

1.5 嵌入式共形全向天線仿真結(jié)果和實(shí)測(cè)樣機(jī)結(jié)果

在明確了天線的設(shè)計(jì)要求且經(jīng)過對(duì)天線匹配結(jié)構(gòu)的各個(gè)部件進(jìn)行仿真優(yōu)化求證后，創(chuàng)建出天線的仿真模型如圖8所示，計(jì)算了該天線輻射的方向圖，如圖9所示。從天線方向圖可以看出，天線在整個(gè)寬帶內(nèi)會(huì)保持類似的單極天線方向圖。

圖8 嵌入式共形全向天線仿真圖

圖9 嵌入式共形全向天線方向圖

1.6 樣機(jī)設(shè)計(jì)

對(duì)模型進(jìn)行加工生產(chǎn)。經(jīng)過實(shí)際調(diào)試以及測(cè)試，然后對(duì)天線各個(gè)部件尺寸做了修改，設(shè)計(jì)出天線實(shí)物，如圖10所示。樣機(jī)實(shí)測(cè)方向圖如圖11所示。

圖10 嵌入式共形全向天線樣機(jī)

圖11 嵌入式共形天線輻射方向圖(E面)

經(jīng)過對(duì)天線的實(shí)物樣機(jī)測(cè)試后發(fā)現(xiàn)，設(shè)計(jì)出的它的S11小于-10dB的帶寬覆蓋了5.1GHz～8.05GHz，百分比帶寬為44%。經(jīng)過上機(jī)驗(yàn)證，將該天線實(shí)際安裝到設(shè)備上，并加裝特制的非金屬天線罩進(jìn)行測(cè)試，發(fā)現(xiàn)設(shè)備的金屬表面以及天線罩對(duì)該天線都產(chǎn)生不了很大的影響，且該天線在實(shí)際應(yīng)用中會(huì)有很高的使用價(jià)值。

2 結(jié)束語

該嵌入式共形全向天線具有尺寸小、寬頻帶、全向輻射特性，對(duì)各個(gè)通信領(lǐng)域都具有很大的優(yōu)點(diǎn),可實(shí)現(xiàn)寬角度范圍掃描和全方位覆蓋的同時(shí),還不破壞設(shè)備表面的機(jī)械結(jié)構(gòu)和強(qiáng)度。

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The design of a built-in conformal omnidirectional antenna

WANG Liang

(ChinaCommunicationsSystemCo.,LtdHebeiBranch,ShijiazhuangHebei050081,China)

As for implementing less resistance of communication devices, airtightness and upstanding communication ability，a built-in conformal omnidirectional antenna is proposed. Besides, this antenna is fixed inside of communication device, also assuring the normal working of devices. Full-scale parameters of this antenna are discussed and analyzed, also the antenna is fabricated.At last, the proposed antenna is tested, measured results approve that the antenna is able to fulfil practical communication requirement.

Built-in; Omnidirectional; Conformal antenna

2016-09-25

王 亮(1982-)，男，河北內(nèi)丘人，碩士，工程師，主要研究方向：微波天線研制。

1001-9383(2016)04-0025-06

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