（通信与信息系统专业论文）双频水平极化全向印刷天线的研究.pdf

硕士论文双频水平极化全向印刷天线的研究 摘要 印刷形式的水平极化的全向天线具有印刷天线低剖面、成本低等优点，在蓝牙、无 线局域网等系统中具有很好的应用前景。本文以蓝牙及局域网为应用背景，对 2 4 2 5 g h z ( 无线局域网w l a n 包括蓝牙b l u e t o o t h 的工作频段) 和5 1 5 5 3 g h z ( h i p e r l a n 高性能局域网的工作频段) 两个频段工作的水平极化全向印刷天线进行了 深入系统研究，主要研究工作如下： 1 分析基本天线形式环天线的特性并基于环天线的理论引入a l f o r d 线形环结 构，分析了其工作原理，并介绍了a f f o r d 线形环天线与印刷天线相结合产生的印刷形 a l f o r d 环天线的结构及辐射原理。 2 设计了中心频率为2 4 g h z 的圆环和方环形式印刷天线，分析了其结构及工作机 理，在此基础上使用h f s s 软件进行优化设计和仿真分析，对方环和圆环形式印刷天线 尺寸及性能进行了比较，为进一步工程化研究奠定基础。 3 在单频印刷环天线的基础上保留圆环结构的一些结构，设计了2 4 2 4 8 3 g h z 和 5 1 5 5 3 g h z 双频水平极化全向印刷天线，并详细分析了该天线的结构和辐射原理。采 用仿真软件对该天线参数进行优化设计。在分析和设计基础上，对该天线进行了实验研 究，实物测试结果表明该全向天线在驻波比小于3 的情况下，覆盖了2 3 5 2 4 7 g h z 和 5 1 1 5 2 6 g h z 频段，基本满足应用要求。 关键词：双频，蓝牙，水平极化，全向，印刷天线 a b s t r a c t h o r i z o n t a l l yp o l a r i z e d0 1 t l n i - d i r e c t i o n a lp r i n t e da n t e n n a sa r eo fl o w p r o f i l ea n dc o s ts o t h a tt h e yh a v ev e r yf i n ea p p l i c a t i o n p e r s p e c t i v e si nc o m m u n i c a t i o ns y s t e m ss u c ha sw l a n t h i sd i s s e r t a t i o nf o c u s e so nt h ei n v e s t i g a t i o no f t h ed u a lb a n d h o r i z o n t a l l yp o l a r i z e d o i l l l l 卜d i r e c t i o n a lp r i n t e da n t e n n ac o v e r i n g2 4 - 2 5 g h z ( w l a n i n c l u d i n gb l u e t o o t hb a n d ) a n d5 15 - 5 3 g h z ( h i p e r l a n 2 b a n d ) t h es t u d ya b o u ti th a sb e e nc 硎e do u ti nt h ef 0 1 l o w i n g a s p e c t s ： 1 c h a r a c t e r i s t i c so f t h eb a s i ca n t e n n as t y l e 1 0 0 pa n t e n n aa r e a n a l y z e da n d 丘l r t h e n n o r e a l f o r dw i r el o o ps t r u c t u r ea n di t sr a d i a t i o n p r i n c i p l ea r ei n t r o d u c e d b e s i d e s p r i n t e da l f o r d l o o pa n t e n n ai sp r e s e n t e dc o m b i n i n ga l f o r dl o o pp r i n c i p l ew i t hp r i n t e da n t e r u l as t m c t u r e 2 m u c ha r e n f i o nh a sb e e np u ti n t ot h em a i ns t r u c t u r ea n dp e r f o r m a n c e o ft h e s ep r i n t e d a n t e n n a sw h i c ha r ee i t h e rc i r c u l a ro rr e c t a n g u l a r a n n u l a r t h e ya r es i m u l a t e da n do p t i m i z e d u s i n gh f s ss o f t w a r ea n dp r o v e dt ob ec o m p a c t ，s m a l la n dl i g h t t h ed i f f e r e n ts h a p e d a n t e n n a sa r ea l s oc o m p a r e di np a r a m e t e ra n d d i m e n s i o n ，a n ds o m eu s e f u lc o n c l u s i o n sa r e d r a w n 3 b a s e do nt h es i n g l eb a n dc i r c u l a ra n n u l a rl o o pa n t e n n a ，ad u a lb a n d h o r i z o n t a l l v p o l a r i z e do m n i - d i r e c t i o n a lp r i n t e da n t e n n ac o v e r i n g2 4 2 4 8 3 g h za n d5 15 5 3 g h zb a n d i s d e v e l o p e d t h ep a r a m e t e r so f t h ed e v e l o p e da n t e n n aa r e o p t i m i z e dw i t hh f s ss i m u l a t i o n s o f t w a r e t h em e a s u r e dr e s u l t ss h o wt h a ti t sv s w r i sl e s st h a n3a t2 3 5 2 4 7 g h za n d 5 11 - 5 2 6 g h z ，w h i c hc a n b a s i c a l l ym e e te n g i n e e r i n gn e e d s k e y w o r d s ：d u a l - b a n d ，b l u e t o o t h ，h o r i z o n t a l l yp o l a r i z a t i o n ，o m n i d i r e c t i o n a l ，p r i n t e d a n t e n n a 声明 本学位论文是我在导师的指导下取得的研究成果，尽我所知，在 本学位论文中，除了加以标注和致谢的部分外，不包含其他人已经发 表或公布过的研究成果，也不包含我为获得任何教育机构的学位或学 历而使用过的材料。与我一同工作的同事对本学位论文做出的贡献均 已在论文中作了明确的说明。 研究生签名：瑶堡= 堑! 童钞莎年乡月2 弘日 学位论文使用授权声明 南京理工大学有权保存本学位论文的电子和纸质文档，可以借阅 或上网公布本学位论文的部分或全部内容，可以向有关部门或机构送 交并授权其保存、借阅或上网公布本学位论文的部分或全部内容。对 于保密论文，按保密的有关规定和程序处理。 研究生签名： 1 7 1 0 叼s 年g 月棚 硕士论文双频水平极化全向印刷天线的研究 1 绪论 1 1 研究背景 蓝牙技术是一种易使用、低功率的短距离无线通讯技术，有着非常广泛的应用前景。 它与m e e 8 0 2 1 l b 、宽带技术等被评为“十年来十大热门新技术产品”【1 1 ，继网络热、第 三代移动电话热之后，蓝牙技术热席卷全球。从最初的蓝牙概念的提出，到全球学者研 究并实现蓝牙系统，现在，蓝牙对于无线通讯研究来说已经是一个不可或缺的领域，并 且正发生着日新月异的变化。 蓝牙技术工作在全球通用的2 4 g h z l s m ( 即i 业、科学、医学) 频段，数据速率为 1 m b s 。其诞生的目的是要将通信和计算机技术进一步整合，其终极理想是使不同厂家 生产的便携式硬件能够在无线连接的情况下，在近距离范围内具有交互性和交叉操作的 可能性。 由于目前技术尚无法将天线整合至半导体制程的芯片中，故在蓝牙模块里除了核心 的系统芯片外，天线是另一具有影响蓝牙模块传输特性的关键性组件。在各种不同的蓝 牙应用产品中，所使用的天线设计方法与制作材质也不尽相同。选用适当的天线除了有 助于搭配产品的外型以及提升蓝牙模块的传输特性外，还可以更进一步降低整个蓝牙模 块的成本。总的来说，蓝牙天线设计时，除了要符合低成本的首要条件，还需要考虑以 下几个方面： 蓝牙天线在尺寸上要尽可能小型化、超薄化；在辐射场型方面，蓝牙产品的天线应 该是全向性的而可以与来自四面八方的其它蓝牙产品互相联系；在天线增益方面，由于 蓝牙使用的i s m 频段其操作波长短，对于传输介质或传输路径中的障碍物或导体所造成 的能量损耗相对提高。故虽然蓝牙产品标榜为短距离传输装置，但仍应考量在室内环境 中使用会有家具、房间墙壁甚至人体等的电磁波障碍物存在，所以蓝牙天线的增益也不 能够太小；在极化方式上，可以考虑采用水平极化方式来减小由于信号多径传播所带来 的额外损耗。 除此之外，许多低剖面低成本的天线面临着频带较窄的缺陷，不能适用于多个不同 工作频率的设备中，有违无线通讯产业的发展趋势。于是通过研究产生了许多双频或者 三频工作的紧凑形式天线来帮助过渡到多功能无线通讯。能在不同网络中使用不同频段 工作的个人无线通讯产品正在当今无线产业中得到越来越多的应用和开拓越来越重要 的市场。 1 绪论 矮士论文 1 1 1 蓝牙天线的发展 目前最常见的蓝牙天线有偶极天线i p o l e a n t e n n a ) 【z 】、单极予天线( m o n o p o l e a n t e n n a ) 【3 嗣、p i f a ( p l a n a ri n v c r t e 遗fa n t e r m a ) 剃5 】【翻暖以及陶瓷天线 c e r a m i c a n t e n n a ) 8 9 等。由于这些天线具有近似全向性的辐射场型以及结构简单、制作成本低 的优点，适合蓝牙装置的使用。 偶极天线的外观通常是圆柱状或者薄片状，在天线底端有一转接头与蓝牙模块射频 前端电路所外接的转接头相互连接。偶极天线的长度与其工作频率有关，天线的长度一 般为半波长或四分之一波长。 p i f a 天线的设计长度为四分之一工作波长，而且在其结构中已经包含有接地金属 面，可以降低对模块中接地金属谣的敏感度，所以非常适合用在蓝牙模块装置中。 p i f a 天线的金属导体可以是线状或片状，若以金属片状制作则可设计为 s m d ( s u r f a c e - - m o u n t e dd e v i c e ) 组件来焊接在电路板上达到隐藏天线的目的。 陶瓷天线是另外一种适合于蓝牙装置所使用的小型化天线。由于陶瓷本身的绝缘性 较p c b 电路板高，所以使用陶瓷作为天线介质麓有效缩小天线尺寸；在介质损耗方面， 陶瓷也比p c b 电路板的介质损耗更小，所以非常适合在低耗电率的蓝牙模块中使用。 然而，在小型化超薄化趋势日益盛行的今天，印刷天线这样一种易共形，低成本的 天线类型，成为设计蓝牙天线不可小视的重要领域f 1 蛙1 1 】【1 2 】。但是不管是偶极天线还是 攀极子天线，亦或是p i f a 天线，他们大多采用的是垂直极化，意味着他们必须垂壹放 置才能达到水平面全向辐射的性能。这无疑对于减小蓝牙产品的纵向尺寸是不利的。 1 1 2 全向天线的发展及应用 全向天线发展至今，目前在结构形式上产生了多样化的成果，从最初的单极子、偶 极子、双锥、螺旋天线到对数周期天线、微带、智能天线等，对一些自身很难达到全向 辐射的单元天线，可将其组成阵列，就能形成全向辐射的方向图，有串馈直线式徽带阵 列天线，还有一些并馈微带阵列天线，渐变缝隙天线等【b 】。 平面单极子天线如图1 1 1 所示【l4 1 。它结构简单，有接近全向的辐射方向图，在通 信中被广泛的应用，图1 1 2 所示是一共面波导馈电的超宽带全向天线嘲，其特点之一 是用到共露波导馈电。但这两种天线实际土因馈线的影响，垂直瑟上电场下倾，使得水 平方向上的辐射特性受到影响，因此很难锝到完美的全向方向图。 2 顾j 地文 双频水下极化幸向印刷灭线的研究 a ) 肺趣i 剖 图1 1 1 超宽带椭 l 一 一_ _ _ - 、 l ( a ) 人线上层金属结构( b ) 天线下层金属结构 阁l1 2 共面波导馈电的超宽带全向单极子天线 螺旋天线也是全向天线的一种形式，因为其直径小而方便使用，如图113 所示双 线螺旋天线i l ，整个天线由两跟平行线围绕一个圆柱组成，用巴仑和同轴电缆馈电。图 l14 所示的双圆锥天线【17 1 ，具有频带宽，全向均匀性好，结构简单等优点，在雷达通 信中得到广泛应用。 羽一 l 绪论 硕士论文 z ( a ) 单元双线螺旋天线( b ) 阵线双线螺旋天线 图1 1 3 双线全向螺旋天线结构 l d 叫 图1 1 4 阵列形式双圆锥全向天线 一般的单元天线很难形成全向辐射，可以将其组成阵列，从而可以使阵列天线形成 全向方向图。而且单个天线的增益一般有限，通过组成阵列，可以提高增益。 微带天线因其结构简单，加工成本低，重量轻等诸多优点，因此全向性微带天线一 直是天线领域的研究热点，比如利用微带传输线进行交叉馈电可以实现微带天线的全向 辐射性能。如图1 1 5 所示，为一个多点激励的直线阵列天线【l 引，该天线由多个微带段 级连而成，微带线段的地板和导带在介质基片的两面交替放置，并且微带的地板宽度是 变化的，利用交叉连接来达到倒相的目的。 4 硕士论文 双频水平极化全向印刷天线的研究 图1 1 5 多点激励直线阵列全向天线 由上述可知，全向天线有多种形式，也有多种方法可以实现。天线的性能对物理尺 寸具有很强的依赖性，尺寸的减小意味着天线的频带变窄，效率降低，增益下降。如何 在保证天线的性能前提下努力减小天线的尺寸、扩展天线的带宽就成为了人们重点研究 的课题。 然而，从上面介绍的众多实现全向性能的天线看来，大多需要将天线垂直与水平面， 并且纵向尺寸无法大范围缩减。 1 1 3 水平极化天线的应用 目前，随着通信技术的广泛应用和通信系统的不断完善，低成本、小型化的产品成 为通信系统应用中的一个重要趋势。特别是无线局域网通信中，在笔记本、手机等一些 可携带性的通讯工具中装置有无线调制功能的终端越来越受到人们的重视。这些无线通 讯系统客观上需要接受和发射信号的天线具有良好的全向性。但是这类天线大多是垂直 极化天线，少有水平极化天线，在一些特定的场合就受到了一定的限制。水平极化的天 线有着它的诸多应用，例如在h i p e r l a n 频段使用的圆锥瓣形微带天线【1 9 1 ，用于综合口 径雷达的扇形瓣天线【2 0 1 ，用于无线局域网通讯的全向性天线【2 1 1 等等。 水平极化天线优点在于，无线通讯系统中，如果采用的大多是垂直极化的天线发射 和接受信号，信号在到达终端的过程中必然经过很多次反射和绕射，即复杂的多径传播 过程，使得收到具有复杂极化特性的信号，这就带来一个极化的匹配问题，必然影响整 个系统的效率。研究表明，具有水平极化的接收端和发射端的系统比采用垂直极化天线 的系统可以多获得平均1 0 d b 的功率。另一方面，在笔记本等水平放置居多的通讯设备 中，设计水平极化的天线并使用在无线局域网通讯系统中具有更广泛的应用前景。 5 l 绪论 硕士论文 1 2 双频天线的应用 现今无线通讯系统发展中，双频天线是另一个主要趋势。在过去的几年时间内，人 们发明了各种各样在无线通讯系统中使用的双频天线。它们大多工作在9 0 0 m h z 、 1 8 0 0 m h z 、5 0 0 0 m h z 中的两个或两个以上频率附近，实现了无线产品功能的组合，并 且在采用印刷天线等形式时有效节约了成本，相比于分别用两个天线来说大大减小了尺 寸。另外，目前个人通讯设备如手机越来越多使用双频甚至三频技术，可以在几个频率 之间自由切换，拓展了应用空间。 表1 2 1 列出了部分非常有用的无线应用背景和他们的工作频段。 表1 2 i 部分无线应用的频率范围 无线应用 频率范围( m h z ) 带宽( z ) g p s1 5 7 0 4 2 1 5 8 0 4 2l o ( 0 7 ) d c s 一1 8 0 01 7 i 0 1 8 8 01 7 0 ( 1 0 6 ) p c s 一1 9 0 0 1 8 5 0 - 1 9 9 01 4 0 ( 7 3 ) 。i m t - 2 0 0 0 u m t s1 8 8 5 - 2 2 0 03 1 5 ( 1 5 5 ) i s m ( i n c l u d i n gw l a n ) 2 4 0 0 2 4 8 38 3 ( 3 4 9 6 ) b l u e t o o t h 2 4 0 0 2 5 0 01 0 0 ( 4 1 ) u - n i i 515 0 5 3 5 0 5 7 2 5 5 8 2 5 2 0 0 ( 3 8 9 6 ) 1 0 0 ( 1 7 ) 总的来说，无线通讯设备的最终目标就是建立一个统一的系统，能够在全世界范围 内使用。更重要的现实是，无线通讯产业的迅猛发展和快速提升已经产生了这样一种对 于不同无线通讯设备中连接性的需求，这些通讯设备为了消除电缆连接利用低覆盖范围 的无线连接头在无线频段内使用，从而要求不断开发多频带，低剖面，紧凑天线【2 2 1 。 6 硕士论文双频水平极化全向印刷天线的研究 1 3 本文的研究工作 最近这些年来，对于应用于蓝牙以及局域网的产品需求越来越多，越来越高。其中， 有些产品需要符合蓝牙无线局域网( w l a n ) 与h i p e r l a n 两个标准。蓝牙应用频段是 2 4 g h z ( 2 4 2 4 8 3 g h z ) ，无线局域网( w l 州) 的应用频段为2 4 2 5 g h z ，而h i p e r l a n 2 的应用频段为5 g h z ( 5 15 5 3 0 g h z ) 。 本文以蓝牙和局域网为应用背景，对平面印刷结构的双频水平极化全向天线进行设 计、仿真和测试，具体工作为： 1 扼要介绍了蓝牙天线的研究背景及国内外发展状况与趋势，回顾了全向天线、水 平极化天线的发展过程，并对本文研究工作做了简要介绍。 2 介绍环天线的基本原理、天线参数以及分析方法。并在此基础上引入a l f o r d 环结 构和改进型的平面印刷环结构，分析该类环天线的基本辐射原理及特性。 3 。用h f s s 电磁场仿真软件设计了圆环和方环水平极化全向印刷天线，比较了两者 的性能和结构优缺点。 4 以蓝牙及局域网为应用背景，在圆环水平极化全向天线研究的基础上，用h f s s 电磁场仿真软件对能同时工作在2 4 g h z 和5 1 5 g h z 两频段上的水平极化全向印刷天线 进行了仿真分析和设计，在仿真的基础上研制了该天线。 5 介绍了天线测试仪器并实际测试双频水平极化全向印刷天线的相关参数，得到测 试结果，与仿真结果对比，寻找误差原因，提出解决方案，为进一步研究该类天线提供 技术支撑。 7 2 环天线的设计与原理 硕士论文 2 环天线的设计与原理 2 1 环天线辐射机理 假设环天线载有均匀同相电流，环的尺寸可任意取值，不受小于波长的限制。采用 f o s t e r 2 3 】和g l i n s k i 2 4 】分析小半径环的处理方法，将半径为a 的圆环中心置于坐标系的原 点，如图2 1 1 所示。 图2 1 1 任意半径a 的环与坐标系的关系 需要说明的是：假设沿环绕行的电流为均匀同相。虽然小环能适应这种假设，但集 总点馈的大环却不是自然就能符合的。当环的周长超过四分之一波长的时候，必须沿圆 周间隔的接入某种型式的相移器，才能实现近似的均匀同相电流。 借助电流的矢量位积分推导其远场表达式，半径为a 的圆环的远区辐射电场为： 易一, u c o i aj l ( p a s i no ) 或0 6 0 打z 届a i j 脚( p a 呐 q d 或e 4 ：1 s i n 臼) 舭1 7 e 。的峰值可通过将上式中的 i 换成环上电流的时间峰值i o 而得到。与电场易相关 的磁场h 。可根据媒质( 自由空间) 的本征阻抗得出。半径为a 的圆环的远区辐射磁场 为： ：掣州励s i n 口) ( 2 1 2 ) 2 2 小环天线 最大尺度小于十分之一波长的闭环电流通常称为小环天线。为了分析环天线的波瓣 图，半径为a 的小圆环可以简单地等效成面积相同的方环： d2 = 翮2 ( 2 2 1 ) 8 硕士论文 双频水平极化全向印刷天线的研究 式( 2 2 1 ) e ed = 方环的边长，如图2 2 1 所示。 ( a ) 圆环 ( b ) 方环 图2 2 1 相同面积的环 假设环的尺寸远小于波长，则相同面积的圆环或方环具有相同的远场波瓣图。但对 于尺寸与波长相当的环则不然。 图2 2 2 方环与坐标系的关系 每段电流长度为d ，d ，= 2 z d 2 。该小环的远场邑为： 易：6 0 z t i l _ d 一，s i n ( 2 2 2 ) 上) 一一一 l 么z z j 式( 2 2 3 ) 中， i 】是偶极子上的滞后电流，r 是场点到偶极子的距离。 记方环( 也就是圆环) 的面积为a = d 2 = 2 翮2 ，则式( 2 2 2 ) 变成： e 。=1 2 0 e r 2 i s i n 0 a ( 2 2 3 ) 这就是面职为a 的小环的远场目分量的瞬时值。若用环上电流的时间峰值，。取代 【i ，则得到场的峰值。小环远场的另一个分量可由式( 2 2 3 ) 与媒质( 自由空间) 的本 征阻抗相除而得到，为： 9 2 环天线的设计与原理 硕士论文 t t e z i s i n 0a 2 志2 厂万 ( 2 2 4 ) 小电流环的辐射场场仅取决于磁矩( 电流和面积) ，而与环的形状无关。叫、环的辐 射方向图也与其形状无关，且与理想电偶极子的方向图类似，如图2 2 3 所示。 环天线从1 8 8 8 年赫兹首先在其实验中用作接收天线以来一直在适用。它具有的炸 面圈形全向辐射方向图为许多应用所需。水平小环( 在x y 平面内) 与竖直( z 向) 短振 子都具有水平面( x y ) 内的均匀辐射，但环所提供的是水平极化，而振子是垂直极化。 1 ( a ) 水平方向( x o y 平面)( b ) 垂直方向( x o z y o z 平面) 图2 2 3 小环天线的辐射方向图 小环天线的阻抗与其对偶理想偶极子的阻抗非常不同，这是因为理想偶极子是电容 性的，而小环是电感性的。利用小环辐射场式计算出辐射功率有： p = 1 0 1 2 ( 2 s ) 2( 2 2 5 ) 继而可求出辐射电阻为： 肛- 2 p 。_ 2 0 ( f 1 2 卵 3 1 2 。o ( 砉) 2 q ( 2 2 6 ) 对实际的周长小于十分之三波长的环天线，式( 2 2 6 ) 提供了一个合理的近似来计 算辐射电阻。 通过多圈环可以显著增加环天线的辐射电阻。n 圈环的磁矩是n s ，其中s 是单圈 的面积。其辐射电阻为： 耻2 妒船2 。0 ( 等) 2 q 亿2 刀 小环天线还有可观的欧姆电阻： l o 硕士论文双频水平极化全向印刷天线的研究 1 0 1 1 0 2 1 0 3 凡= 掣r 2 1 0 0a 8 0a 6 0 五4 0 ( 2 2 8 ) 图2 2 4 小环天线的近似辐射电阻随波长变化 小环天线有诸多应用，最普遍是作为接收天线。例如，呼机中就使用单圈小环天线。 在a m 广播接收机中多圈小环天线也很普遍。小环天线还常用于测向接收机和场强探 测。 随频率升高，小环的辐射电阻比短振子的减少得快得多。多圈环用于增加辐射电阻。 不过n 圈环的损耗与电感都按n 2 增加。但是，通过减少多圈环的圈数且使用铁氧体芯， 可以保持辐射电阻而减小导线损耗。在实际使用中，通过与环并联放置一个可变电容来 补偿电感 2 5 】。 2 3 大环天线 当环周长为几分之一波长或更长时，电流幅度及相位沿环变化，引起性能随尺寸的 变化而变化。同样地，物理尺寸固定的大环显示出性能随频率的变化而变化，类似于谐 振天线的特性。 2 嚣天线豹设诗与鞭毽 联士论文 iy ： 鍪2 。3 。1 一个液长方环天线 图2 3 。1 所示为周长为个波长的方环天线，边长为四分之一波长。当环周长为一 个波长时，可以合理地假定电流是正弦分布的。图2 3 1 中实线是正弦电流分布，虚线 是由更严格的数值方法得到的电流幅度。 圭平面中远场的表示式眈较简单。在环所在的x o y 平面( e 瑟) ，拶拳9 0 。时； 岛 ( 移= 等) = 0 犯。3 。1 ) w 秽懋争警三鬻 ， s i n c 。s ( 三s ；觳) 一s ；n ( 署s t n 痧) 】+ ! ! ：| ! ：等 ! i ；鼍兰警【s 痧s 馥( 三s ) 一c o s ( 詈c o s ) 】) 露。3 。2 ) 的归一纯方囊图如图2 3 。2 鑫) 中实曲线所忝。 在x o z 平瑟，也就是互平疆： 毛 = 0 ) = 00 。3 3 ) 驯嘶警墅型鬻产 删， 叫z s n 气蠢、 该b 表示式的归一化图如图2 3 2 ( b ) 中实曲线所示。 - 在y z 平面，也就是臀蔼： 岛静嚣争= 蛰 穆3 5 ) 删数争一警酬署s 诳 晰) 硕士论文 双频水平极化全向印刷天线的研究 图2 3 2 中实曲线给出色表示式的归一化方向图。方向图e o s ( ( 刀 4 ) s i n 0 ) 是处于1 、 2 边中点的两个电源的阵因子。注意，在z 轴方向，电场平行于x 轴，且等于： e x - 一j l o 荔r l e 厂- y p r y 德狲，j ! ! x ji 瓣7 岁 ( a ) x o y 平面归一化方向图 藤z 域i 7 一?、 蕊氰z 蹩 一j 、。、。，? j7 二y ( b ) x o z 平面归一化方向图 ( 2 3 7 ) 2 环天线的设计与原理 硕上论文 y ，。一 “ 萎涂德 i ：? ：j! ： l z i jj ! ，? 二：渤拶嵝 弋 一i ( c ) y o z 平面归一化方向图 图2 3 2 一个波长方环的主平面方向图 图2 3 2 中实曲线是基于正弦电流分布的方向图，虚线是通过更严格的数值方法得 到的电流产生的方向图。从图2 3 2 中可以得出关于周长为一个波长的方环天线辐射特 性若干普遍性结论。在垂直于环面方向( 沿z 轴的方向最大) ，而且极化方向平行于含 有馈源的环边。在环面内，平行于包含馈点边的方向( 沿x 轴) 的辐射是零，而在与包 含馈源的边垂直的方向上有一个瓣( 沿y 轴) 。这些结果与小环天线有着很大的不同， 小环天线沿轴的辐射为零，而最大( 均匀) 辐射在环面内【z 6 1 。 2 4 小结 本章对环天线包括小环天线和大环天线的基本原理和结构作了详细阐述，分析了其 场的组成与主要特点，为分析和改进水平极化全向印刷天线提供了技术支撑。 1 4 硕士论文 双频水平极化全向印刷天线的研究 3 水平极化全向印刷天线 3 1 环天线设计 从环天线理论的分析中可以看出，理想的环天线在圆周上电流大小相等，电流沿环 的切线方向，形成一个电流环，它的辐射方向图类似于理想的电偶极子，在水平方向均 匀向外辐射能量，并且水平方向为最大辐射方向，在垂直方向辐射很小或接近不辐射， 辐射的形状类似于一个面包圈。对比偶极子的辐射可以把理想的环天线等效为一个磁偶 极子。 在实际设计过程中，环天线的实现存在以下问题：一个电尺寸小的环天线能很容易 实现比较好的全向性方向图，因为它的电流分布比较均匀，向外辐射过程中能量分布也 很均匀，然而它的辐射电阻很小，通常只有几欧姆或者几十欧姆，如图3 1 1 所示。但 是它却带有很高的电抗，高至几百欧姆乃至几千欧姆，这样的阻抗使得阻抗匹配非常困 难。 u j r 0 n 、t f f j j j 3 j 1 1 0 24681 0 c 丸 图3 i 1 环天线辐射电阻作为环周长与波长比值( 电长度) 的函数关系 而对于电尺寸大的环天线，它的阻抗特性比较容易实现匹配，由于在环的圆周上电 流的分布很不均匀，不可以近似看作是大小相等的电流的组合，带来的问题就是它的全 向性特性往往不能令人满意。因此，在设计环天线的过程中，应着重解决全向性和输入 阻抗匹配之间矛盾【2 刀。 1 5 3 水平极化全向印刷天线硕士论文 3 1 1a l f o r d 环天线结构及基本辐射原理 为了解决环天线电流分布与阻抗匹配方面的矛盾，1 9 4 0 年a a l f o r d 和a g k a n d o i a n 引入了一种新的线形结构的环天线，实现了水平极化和全向性2 8 1 。这种天线的线形结构 如图3 1 2 所示。 图3 1 2a l f o r d 线天线形式 这种天线在d 和处馈电，在理想情况下，由于线天线本身结构具有一定的对称 性，因此在对称的两边的电流分布幅度相等，相位相差18 0 。从而a b 、b c 、c d 、d a 四条边电流的分布近似形成了一个方环。由于b b 、d d 、a c 导线彼此间隔非常近， 电流相位相差1 8 0 。，幅度相等，可以看作这几条边在远场产生的辐射相互抵消。这样， 这几个单元近似形成了一个方形的环天线，产生了水平极化的全向性方向图。 a a 1 f o r d 环天线的最大优势在于，解决了环天线阻抗匹配与电流分布不均匀的矛 盾。使环天线具有可以形成全向方向图特性的环电流分布，又可以因为其结构的特殊性 具有相对容易进行阻抗匹配的辐射电阻和电抗。这是因为在a a l f o r d 环天线的四条边 a b 、b c 、c d 、d a 的电流都直接由馈电点d 和处发出，当环的周长大约为一个波长 时，每条边都近似为四分之一波长，电流从馈电点出发，行进四分之波长，损失的能 量比较小，由于天线末端的电流幅值为o ，所以每条边上电流幅度变化近似为半个电流 峰峰值，并且方向不发生改变。不会像普通的环天线那样由于要沿着圆周行进一个波长， 所以电流沿途不仅改变方向，而且其电流的幅度近乎等于馈电电流的峰峰值，相比而言， a a l f o r d 环天线的四个边上的电流分布要均匀得多，因此全向性能有极大的改善，解决 了周长为一个波长环天线全向性能不好的缺点。同时，由于环电流所经过的圆周长近似 为一个波长，根据大环天线的理论和图3 1 2 可以知道，这样的天线具有可观的辐射电阻， 使得阻抗匹配相比于小环来说更容易实现。因此，可以这样说，a 舢f b r d 环天线将小环 天线和大环天线的优势结合起来，实现了全向性能与阻抗匹配的统一。 需要指出的是，虽然可以实现匹配，但由于a 灿f - o r d 环天线跟环天线同属于谐振 1 6 硕士论文双频水平极化全向印刷天线的研究 类天线，其阻抗带宽比较小。 3 1 2 方环水平极化全向印刷天线 在印刷天线广泛应用的今天，许多线天线都有了其对应的印刷天线形式。1 9 9 8 年 h - r c h u a n g 发表了一篇专剥文献，详细描述了这种水平极化全向印刷筋南磁环天线的 辐射理论，并在此基础上设计了一款中心频率9 0 0 m h z 的方环水平极化全巍印剥天线 嵋。2 0 0 6 年1 1 月份，c c l 。c k u o 和h 。rc h u a n g 分析了一款用于2 4 2 。4 8 3 g h z 无线局域网频段的方环水平极化全向印刷天线，描述了这种方环形式的水平极化全向印 劂天线的主要参数及在个人笔记本中的测试靖嚣【蚓。文章巾掰播述酶这种酃涮全两性隶 平极化天线结构及馈电方式如图3 。l 。3 所示。 上层 下层 图3 1 3 水平极化全向印刷天线的结构 点 下层 点 图3 1 4 水平极化全向印刷天线的电流分布 歪魏圈3 ，董3 所示，秘利结构鳕烈惫斑环天线其有两个形状类似于z 字煞金属带， 里中心旋转对称分别印刷在基质板的上下蹰厦，在对称中心用网轴探针进行馈邀。从基 质板的垂直方向看下去，下层金属片与上层金属片中有一个能够完全重合的平行四边形 过渡部分。天线的电流分布如瞬3 1 4 所示。 1 7 3 水平极化全向印刷天线 硕士论文 印刷结构与线结构各部分息息相关，印刷结构的环的上层金属片就对应于线结构中 d d a o c b b 。导线，下层金属片则对应于线结构中b b a o c d d 导线；印刷结构中馈电 部分即为线结构中0 0 点：印刷结构中重合的平行四边形部分即为线结构中距离很近的 a o c 、a o c 部分；印刷结构中z 字两端重合的小矩形部分即为线结构中距离很近的 b b 、d d 部分。 为了尽可能好的实现天线全向特性以及阻抗匹配，确定了基板的材料和厚度之后， 需要确定天线的具体尺寸。 环的周长近似为一个波长，其每条边的电长度即为四分之一波长。因为双面印刷不 同形状的金属带的天线所用的基板的下层并不是地平面，因此这种天线类似微带天线但 是并非微带天线，也不能套用传统的计算天线尺寸的微带天线的设计公式来设计【3 l 】。但 是考虑到本文这种天线的结构与微带天线的可比性，可以将有效介电常数取为在真空中 和本介质材料介电常数的平均即为旦，因此长度为四分之一波长的边，。的长度可以 z 近似计算为： ，。= o 2 5 l 】- 0 2 5x 厶4 ( 1 + o c r ) 2 ( 3 1 1 ) 设计过程中，这个值往往需要进一步微调来确定谐振频率中心。考虑到2 4 g h z 频 段的应用背景，现设计在此频率谐振的水平极化全向印刷天线。 采用相对介电常数为4 4 的f r 4 基板，面积为4 0 m m x 4 0 r a m 。根据式( 3 1 1 ) ，2 4 g h z 的方环天线的边长大约是1 9 r a m 。其它参数通过优化调整可以得到。 一t 卜- 点 h 图3 1 5 方环水平极化全向天线结构参数 天线的结构参数标示如图3 1 5 ，具体对应尺寸如表3 1 1 所示： 顶 论文 双频水r 批化争向印刷天线的t , j f y 表31if r 4 方环水平极化全向天线尺寸 参数尺寸( i 蜘1 )参数尺、j ( f i l m ) l1 78s 06 tl5m 1 18 d 45 h 利用a n s o f l 公司的h f s s 软件进行仿真，得到了如图3 16 、罔3 17 和剧3 18 的 仿真结果。 幽3 l6 方环水平极化全向印刷天线的仿真3 d 方向图( 中心频率- 2 4 g h z f 矗 ( a ) n 平面方向削 3 水平极化全向印刷天线 硕士论文 o “ ( b ) e 平面方向图 图3 1 7 方环水平极化全向印刷天线的仿真二维方向图( 中心频率= 2 4 g h z ) 暑 i ； 邑 重 譬 l | l li ii | i， i7 7 图3 1 8 方环水平极化全向印刷天线的驻波比仿真图( 中心频率= 2 4 g h z ) 图3 1 6 所示的是用软件仿真出来的三维立体方向图，可以看到，天线的辐射方向 图与理想的小环天线一样，最大辐射方向在x o y 平面，最小辐射方向沿z 轴方向。在 x o y 平面，辐射各个方向上的方向性在1 5 d b 到2 8 d b 之间。 图3 1 7 所示是圆环天线的二维方向图，分别对应e 面水平平面和h 平面。在 x o y 平面内，天线方向图的最大辐射方向在p = 4 5 度1 3 5 度。而最小辐射方向在9 = 4 5 度1 3 5 度处。天线在矽= 4 5 度1 3 5 度平面的主瓣波束宽度约为9 6 度；在i p - - 4 5 度- 1 3 5 度平面的主瓣波束宽度约为9 2 度。 图3 1 8 所示为方环水平极化全向印刷天线的驻波比仿真图。 硕士论文 双频水平极化全向印刷天线的研究 可以看到，这个圆环水平极化全向印刷天线具有良好的水平全向性方向图，这样的 方向图跟小环天线类似，并且整体辐射方向图接近理想的电偶极子，增益为1 5 5 d b ， 驻波比小于2 的条件下在中心频率点2 4 g h z 附近具有4 0 m h z 的带宽。 3 2 圆环水平极化全向印刷天线的设计 从方环水平极化全向印刷天线的仿真结果可以看出，方环存在一些不利于实际局域 网应用的缺点，如带宽相对窄，增益较小等等。为了将圆环与方环结构天线进行比较， 消除基板的材料与大小不一致带来的影响，圆环天线同样印刷在相对介电常数为4 4 ， 4 0 m m x 4 0 m m ，厚度l m m 的f r 4 基板上。 3 2 1 天线的结构 建立在方环天线的基本结构与基本辐射原理的基础上，修改设计出圆环形式天线的 结构如图3 2 1 所示： 图3 2 1 1 圆环水平极化全向印刷天线结构图( 中心频率= 2 4 g h z ) 经过优化，其具体结构尺寸表3 2 1 所示： 表3 2 1f r - 4 圆环水平极化全向印刷天线尺寸 参数尺寸( m m )参数尺寸( r l l l n ) d 7 i h1 1 6 肠1 1t0 6 t h e t a9 0 ( 度) r 2 6 w4 0hl 2 1 3 水p 极化争e 叫l 尤线顺l 。论文 3 2 2 天线辐射原理 网环形式的水 z 掀化全向印刷天线的辐射原理与上述的方环形式的类似。 天线主要辅剁部分为宽度w a 的旧条团环边。从图3 22 可以看出，天线i 乜流主要 集中存网环边匕，在环术端电流趋向于0 。翻3 23 所示为天线上瞬州电流乃向。可以 看到上f 层f u 流形成一个坏，因此近似形成全同辐射。中间宽度为d ，上f 能够重合的 爿：分从远场看柬i j 以认为辐射抵消，不影响电流环形成的全向方向图。从垂直方向看， 圆环术端有一个长度为t ，宽度为w a 上卜能够重合的矩形来实现灭线性能的微调。 糕i 阁3 23 刊环水平极化全向印刷大线的电流方向 3 23 软件仿真 在商业软件h f s s 的环境f 仿真了该圆环形式的水平极化全向印刷天线。仿真结果 如图3 24 、图3 25 搜图5 , 26 所示。 陶3 24 所示天线仿真维立体方向刚，可以看到，天线的辐射方向图与理想的小 2 2 ，掣i一 硕士论文双频水平极化全向印目4 天线的研究 环天线一样，最大辐射方向在水平平面，最小辐射方向沿z 轴方向。在h 平面，辐射 各个方向上的辐射大小基本相同。 图32 4 圃环水平极化全向印刷天线的3 d 方向图仿真( 中心频率= 2 4 g h z ) - l h h + h _ h _ h ” 十h h ”h h h + h 十h _ ”+ n h ”q h * + h ”t + ”叫 t o4 o ( a ) h 平面方向图 3 水平极化全向印刷天线硕士论文 又 烂 洲 - l 鼬 to-4仉o ( b ) e 平面方向图 图3 2 5 圆环水平极化全向印刷天线的二维方向图仿真( 中心频率= 2 4 g h z ) fl f| fl l l ll 、 ， 图3 2 6 圆环水平极化全向印刷天线的驻波比( 中心频率= 2 4 g i - i z ) 图3 2 5 所示是圆环天线的二维方向图，分别对应h 平面和e 平面。圆环天线的水 平平面方向性在0 2 6 d b 2 4 d b 之间。天线在e 平面的主瓣波束宽度约为9 0 度，这样 的方向图跟小环天线类似。 可以看到，这个圆环水平极化全向印刷天线具有良好的水平全向性方向图，并且整 体的辐射方向图接近理想的电偶极子，增益为0 2 6 d b ，驻波l t d , 于2 的条件下具有中 心频率为2 4 g h z 的4 0 m h z 带宽。 2 4 硕士论文 双频水平极化全向印刷天线的研究 3 3 方环与圆环水平极化全向印刷天线的比较 为了进一步比较方环与圆环水平极化全向印刷天线的特点，本文采用f r 4 基板设 计工作频率相同的方环与圆环水平极化天线，二者主要参数指标对比如表3 3 1 所示。 表3 3 1 方环与圆环形式天线在2 4 g h z 频段的比较 类别天线方环圆环 金属包围面积3 1 6 8 4 r a m 24 2 2 5