基於雙錐同軸饋電的吸頂天線優化設計

作者/ 高鵬鵬1 姚金傑1，2 1.中北大學 信息探測與處理技術山西省重點實驗室(山西 太原 030051) 2.中國兵器淮海工業集團(山西 長治 046012)

本文引用地址：http://www.eepw.com.cn/article/201708/363618.htm

*基金項目：國家自然科學基金(編號：61571404,61471325)

　　高鵬鵬(1993-)，女，碩士，研究方向：信息探測與信號處理;姚金傑，男，博士，講師，研究方向：無線傳感器網絡、毫米波技術。

摘要：本文提出了一種基於同軸饋電微帶天線的室內移動通信設計，在吸頂天線的基礎上，優化天線的性能，完成信號的收發和速度的平滑處理。通過設置天線的物理特性，獲得更多的增益，提升其發射性能，且不需要在電流上做更多複雜的處理。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

　　室內移動通信，即信號的室內覆蓋。如會場、賓館、辦公室、電影院、住宅等場所，採用室內分布式系統來覆蓋。吸頂天線^[1]因其具有外形美觀，不影響室內觀瞻，功率小等優點，廣泛 地應用於室內移動通信系統中，實現信號的覆蓋和信息的傳輸。隨著全球信息化的快速發展，室內天線覆蓋也在不斷地改進，來滿足日益密集的室內空間對信號強度和質量的需求。

　　吸頂天線可以追溯到1973年R.E.Munson提出的微帶天線單元設計和1974年J.Q.Howell研究設計的基本矩形微帶貼片天線。到現在，吸頂天線已經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，白色向下的帽是天線體，往外輻射信號;向上彎曲的繩子是饋線^[2]，把信號從移動基站引入到天線。按照國家標準，在寬頻帶內工作的天線，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^[4]，削弱其終端反射的影響可以確保天線的電流分布，只有在一定長度的饋電點，才存在有效電流影響天線的輻射特性和阻抗特性。部分天線的參數會隨著天線的延伸而快速衰減，使得天線類型和天線阻抗取決於有效相關電流的長度，而不影響擴展長度的協議。因此，天線的實際長度不會改變。在工作頻率、有效面積對天線性能有顯著影響的同時，也會適應頻率的變化。這是符合寬頻帶工作天線的設計要求的。

　　本文在天線設計的基礎上，對其進行優化設計，基於傳輸和天線模型，設計了同軸饋電天線^[5]，主要採用上下椎體和透射線結構。通過調整錐形的開口角度來提高天線的駐波比，使其能在寬頻帶中工作;通過控制天線的輻射方向，從而簡單地調整上下椎體的不對稱;最後通過HFSS仿真，驗證了優化設計參數的有效性。

1 設計過程

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

1.1 錐角優化

　　理論上講，在錐角較大，尤其是接近90°時，輸入阻抗與特性阻抗越接近，其輸入電抗將接近於零。但通過實際的仿真和實驗，證明錐角為60°時空間輻射的增益最優，能夠實現最好的寬帶特性^[7]。然而在本文中，為了確保雙錐形天線具有良好的全向特性，我們將雙錐形設計為高度相同、開口的底部直徑相同，並與同軸傳輸線連接，錐體的開口角度稍減小，不再是60°。

1.2 傳輸線的選擇

　　根據全向吸頂天線的設計要求，我們選擇同軸電纜作為波導傳輸線^[8]。由於選擇的天線是上下雙錐結構，是典型的雙導體同軸傳輸系統，主要傳輸TEM波。要使設計天線工作在寬頻帶，且能夠傳輸TEM波，能夠實現TE、TM波的混合和複雜處理，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，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 同軸電纜長度的確定

　　由設計要求，同軸電纜長度參數曲線如圖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，最佳的同軸電纜長度應為15mm。

2 天線性能與仿真分析

　　為了模擬和分析各種參數的雙錐吸頂天線的性能，我們使用HFSS三維電磁仿真軟體，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，天線設計圍繞的中心頻率約為4GHz，且回波損耗小於15dB，達到了中心頻率的技術要求。

2.2 電壓駐波比

　　由圖3可以看出，在中心頻率為4GHz時，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電壓駐波比小於2.0的要求。

2.3 Smith圓圖

　　由圖4可知，雙錐吸頂天線的阻抗匹配是可以實現的。當中心頻率為4GHz時，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鍵，由於傳輸線和其他電子線路如輸入埠阻抗，其本質上是等效阻抗，因此我們可以將天線的輸入阻抗通過HFSS直接表現出來。由圖5可知，在中心頻率為4GHz的室內天線設計中，輸入阻抗約為(59-j17) ，比較接近理論分析，而且更容易匹配，同時也滿足50 的輸入阻抗要求。

2.5 模式

　　天線方向圖是方向函數的圖形表示，它用來描述天線輻射特性隨著空間方向坐標的變化，輻射特性有輻射強度、場強、相位和極化，通常在遠場半徑為常數的大球面上討論。天線輻射(接收)的功率或場強隨位置方向坐標的變化規律，分別稱為功率方向圖或場強方向圖。在定義輻射表面的基礎上，利用HFSS軟體進行仿真，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，設計在各個方向的增益都是最強的，基本滿足天線全向性的設計要求。

3 結論

　　本文提出了一種新型同軸饋電微帶的設計，在傳統天線的基礎上，進行錐角優化、天線選擇、特性阻抗分析，選擇同軸設計的長度和形狀優化，並通過HFSS進行模擬仿真。設計結果表明，優化後的同軸饋電微帶天線可以滿足4GHz的工作頻率，天線達到最大增益時的駐波比為1.4，滿足寬頻帶全向天線的設計要求。這種設計方式是天線設計的基礎，在室內通信和定位領域上，具有很強的工程應用價值。

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　　本文來源於《電子產品世界》2017年第9期第37頁，歡迎您寫論文時引用，並註明出處。