用于移动通信的新型宽带全向圆极化天线研究

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                1  引言

                         无线通信基站和移动终端均需要全向天线以保持与不同方位的目标进行通信。圆极化天线可以保证信号传输的稳定性。因此目前已有不少关于全向圆极化天线的研究，参考文献[1]-[2]均采用了环偶极子模型，这些设计结构简单，但尺寸相对较大，带宽最大为7.4%[2]；参考文献[3]-[4]采用了微带天线来实现全向圆极化辐射，此类天线具有低剖面的优点，但作为谐波天线，带宽很窄；参考文献[5]利用圆极化器来实现全向圆极化辐射，但结构相对复杂，且不易实现宽带。所有这些设计的共同问题均是带宽不足，这成为制约全向圆极化天线广泛应用的主要因素。
                          
                         参考文献[7]提出的圆极化矩形环天线具有~50%的圆极化带宽。本设计通过将印制有四个相同宽带圆极化矩形环天线的柔性介质板卷曲成空心介质柱来实现宽带全向圆极化辐射。设计宽带巴伦结构对其馈电以满足2GHz附近的移动通信需要。
                          
                        2  天线结构

                         天线结构如图1（a）所示，四个宽带圆极化矩形环天线印制在柔性介质板上，并将其弯曲成柱形以实现水平面上的全向辐射。单个辐射单元结构如图1（b）所示，通过在主辐射环长边上开缝激励起行波，从而实现较宽频带内的圆极化辐射。同时在内部添加两个开缝的寄生矩形环，来进一步增加带宽。通过在空心介质柱中插入金属反射柱来改善天线的圆极化性能。金属反射柱中部留有空隙（g1）用来放置宽带巴伦结构（如图1（a）所示）。
                          
       

               

       

                (a)               (b)

       

               

       

                (c)

       

                图1  宽带全向圆极化天线仿真模型 (a)天线结构
                (b)单元结构 (c)俯视图

       

                 

                         宽带巴伦结构如图1（c）所示，由于微带线-缝隙耦合可保证在很宽的频段内实现阻抗匹配，本馈电结构正是基于此，利用介质板两侧微带线和缝隙之间的耦合来实现宽频段内的阻抗匹配，通过调整缝隙长度sl和微带线长度l5使其阻抗匹配达到最佳。
                          
                         图1中各参数尺寸如表1所示。此外，主辐射环和寄生环线宽分别为6mm和3mm，环上缝隙宽度分别为3mm和1.5mm。金属反射柱厚度为1.5mm。论文中所提到的轴比为水平面上的平均轴比，它是取水平面上均匀24个点的轴比平均值。此天线辐射左旋圆极化波，可以通过改变环上缝隙位置来改变其极化旋向。
                          
                         表1  图1中各参数尺寸
       

参数	尺寸(mm)	参数	尺寸(mm)
Lg	220	l2	15.4
D1	60	l3	6.9
D2	18	l4	10.8
L1	114.6	l5	13.8
L2	45.3	w1	2.7
W1	35	w2	0.9
W2	20	w3	1.8
S1	10.6	Wg	13.5
S2	11	sw	1.6
g1	19	sl	13.3
l1	4

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                        3  结果与分析

                         根据仿真结果制作了天线模型，如图2(a)所示。四个矩形环天线印制在介电常数为3.2的柔性介质板上，选取介质材料Panasonic R-F775, 厚度为0.05mm，以便于弯曲成柱形；宽带巴伦结构印制在介电常数为2.2的介质板上，选取介质材料Taconic TLY-5,厚度为0.8mm，通过同轴线在中心馈电，如图1（c）中“馈点”；最后将巴伦结构和辐射环在主辐射环中部焊接以保证其良好的导电性能。此外，在天线制作过程中利用泡沫固定金属反射柱使其镶在柔性介质柱内部，同时泡沫还起到了加固空心介质柱的作用。
                          
                         首先，在没有金属反射柱的情况下对天线进行了仿真分析，图3给出了回波损耗和轴比性能。增加了金属反射柱后，回波损耗-频率特性和轴比-频率特性如图3所示。观察图3（b）可知金属反射柱对天线的轴比性能产生很大的影响。测试表明此天线结构在39.2% (1.68 GHz-2.52 GHz)的频带范围内回波损耗大于10dB，在35.3% (1.75 GHz-2.5 GHz)的频段范围内轴比小于4dB。由于制作工艺和测试场地的限制，测试结果和仿真结果存在一定的差异。
                          
                         图4给出了测试得到的在水平面上的辐射方向图，从图中可看出此全向圆极化天线在低频端（1.75GHz）和高频端（2.45GHz）均具有良好的全向特性和轴比特性。
                          
                         在研究了单元天线的基础上，本论文进一步对高增益天线阵列做了研究，以满足现代移动通信对增益的要求。图2 (b) 给出了四单元天线阵模型。
       

                  

       

                (a)             (b)

       

                图2  天线单元和四单元天线阵模型 (含馈电结构)

       

               

       

               

       

                图3  仿真和测试结果 （a）回波损耗 （b）轴比

       

               

       

               

       

                图4  水平面方向图（a）1.75GHz  （b）2.45GHz

                          
                        4  结论

                         本文给出了一种用于移动通信的宽带全向圆极化天线的设计方法。通过增加金属反射柱大大改善了天线的圆极化性能，宽带巴伦馈电结构保证了宽频带内的阻抗匹配。仿真和测试表明此全向圆极化天线的带宽约为35%。此外，此天线结构还具有小截面、低制作成本，便于实现天线阵列等优点，因此具有广阔的应用前景。