低剖面超宽带锥形天线等效电路的研究.docx

1、低剖面超宽带锥形天线等效电路的研究周亦军(海军驻武汉438厂军事代表室,430060)摘要：本文应用基于Fostercanonical模式的等效电路对一个用于无线通信的低剖面,超宽带，锥形天线进行了物理层次的分析。这个天线是由一个传统的锥形天线，一个寄生环和一个套筒组成。此天线可成功覆盖747MHz6000MHz且其高度只有低频(747MHz)的0.0625个波长。本文的主要目的是建立一个集总参数的等效模型去模拟此天线的输入阻抗变化，以此来解释此天线的工作原理及其主要组成部分的作用。将等效电路结果对比全波电磁仿真结果，得到了很好的一致性。关键词：低剖面；等效电路；宽带；锥形天线中图分类号：TN

2、823.15文献标识码：A文章编号：1674-7976-(2011)03-218-04ResearchonEquivalentCircuitofLowProfileWidebandTaperedAntennaZHOUYijunAbstract：BasedontheequivalentcircuitofFostercanonicalpattern,thephysicallevelofalowprofile,ultra-widebandandtaperedantennausedforwirelesscommunicationisanalyzed.Theantennaiscomposedofatra

3、ditionaltaperantenna,aparasiticringandasleeve.Thecoverageoftheantennais747MHz-6000MHz,andthephysicalheightoftheantennaisonly0.0625Xoflow-frequency(747MHz).Inthepaper,anequivalentmodelofthelumpedparameterisdesignedfbrsimulatingthechangesoninputimpedanceoftheantennaandexplainingtheantennaworkingprinci

4、pleandthefunctionsofitsmaincomponents.Comparingtheresultofequivalentcircuitwiththefull-waveelectromagneticsimulationresults,wecanfindoutthattheyhaveanexcellentconsistency.Keywords：LowProfile;EquivalentCircuit;Wideband;TaperedAntenna随着无线通信技术的高速发展，射频前端的收发信机都需要一个宽带/多频带且小型化的天线去接收或者发射各类不同标准的信号，其中包括GSM-90

5、0(880MHz-960MHz),DCS-1800(1710MHz-1880MHz),PCS-1900(1880MHz-1900MHz),UMTS(1920MHz.2170MHz),WiBro(2300MHz-2390MHz),Bluetooth(2400MHz-2484MHz),S-DMB(2605-2690MHz),WiMAX(3400MHz-3600MHz),WLAN(5150MHz-5350MHz,5725MHz-5785MHz)o本文所用天线原型是在文献1中详细描述的。图1给出了此天线的详细结构。此天线是由一个传统的锥形天线，一个接地寄生环和一个套筒组成。其中寄生环是为了获得卓越的低

6、剖面特性，而套筒是为了优化高频时的特性阻抗，使其达到很高的频率覆盖范围。从文献1描述的结果我们可以看到，此天线只有25mm高度，却展现出了从747MHzf000MHz超出8倍频的优良结果。而本文主要介绍了以Fostercanonical模式的等效电路为基础，建立一个高精度的集总参数的等效电路去模拟此天线的工作方式。以此去清晰的解析的阐述和解释此天线构成的三大部分(传统的锥形天线，寄生环和套筒)的具体作用。1Fostercanonical模式的等效电路收稿日期：2011-04-06o一般地，天线是一个线性的，无源的器件。当(b)磁天线图3Fostercanonicalforms(a)俯视图(单位

7、：mm)传统锥形天线的电路模型建立H201(b)侧视图(单位：mm)图1天线的结构图图4给出了传统锥形天线的等效电路模型，其输入阻抗表示为Zin(/)o作为初始计算，输入阻抗的电抗部分(7*in)可近似等于7/7(仞赛)。在本文中Co的取值是选取工作频率对应波长与天线高度呈现2A/A=0.1关系时的值。可知天线高度为25mm,因此波长应为500mm而对应的工作频率为600MHz0在这个频率下，由图5中电磁仿真结果可得其对应的电抗值Xin为169,因此可算出Co为1.56pFo同时，"值的选取是在第一个天线谐振点处(1.86GHz),L°,G)形成了谐振，因此，乙)的值为4.

8、69nHoR是取整个工作频带内输入电阻最高的点，而根据图5所示电磁仿真结果，此点值为145Q(3.32GHz)o而由于此天线的谐振点(即&=0)为1.86GHz和3.32GHz,根据文献4,G和3以此被得到。最后，经过微调，此电路模型的最终取值为：£0=l.lnH,Co=l.56pF,R=145Q,牛5.08nH,G=0.42pF。图5给出了有HFSS电磁仿真软件得出的和由等效电路直接算出的输入阻抗对比。由图可知两者吻合的非常好。COLOmnrLl图2基础的Fostercanonicalforms(a)电天线L0)1E图4传统锥形天线的等效电路图3传统锥形天线结合接地寄生环假

9、设天线无损时，其输入阻抗可通过Fostercanonicalforms模拟进行分析，图2是一个基础的Fostercanonicalforms模型，其RLC电路可以独立地模拟一个天线的谐振点。对于一个宽带天线，可以模拟为多个不同谐振点的基础Fostercanonicalforms模型的级联，如图3所示。图3(a)和(b)分别用来模拟“电天线”和“磁天线气图6(a),(b)分别给出了由HFSS电磁仿真软件150-100-50-100-150-200-25。50-用0-4Frequency(GHz)EMsimulation-Re(Zin)-EMsimulation-lm(Zin)circuitsim

10、ulation-Re(Zin)circuitsimulation-lm(Zin)图5传统锥形天线输入阻抗的实数部分和虚数部分计算得到的传统锥形天线和传统锥形天线结合接地寄生环的输入电阻和输入电抗。200-从中我们可以看到当天线加入寄生环，输入阻抗将出现2个明显的变化：输入电阻和输入电抗都发生了明显的左移，即像低频端移动。在1GHz和4.5GHz处，又出现了两个新增的谐振点。图7给出了传统锥形天线结合接地寄生环的等效电路模型。其中3,G的取值被放大，以此模拟整个输入阻抗左移的现象。而耦合系数N在此被定义为锥形天线和寄生环间的耦合。而新加入的两个RLC并联电路是用来模拟在1GHz和4.5GHz处出

11、现的两个新谐振点。经过计算和微调，最终等效电路的取值被确定为：=llnH,G)=2.5pF,R=130Q,Li=6.02nH,G=0.7pF,N=0.96,彪=84。，3=2.81nH,C2=12.8pF,/?3=70dZ3=1.0nH,C3=l.4pF。而图8给出了电磁仿真和电路模型的计算结果，从中也得到了很好的一致性。250-traditionalconicalantenna>Re(Zin)addingaparasiticring-Re(Zin)ooooO05052118uss_saJIndu-COL0rwvLl0123456Frequency(GHz)Frequency(GHz)(

12、b)输入电抗8u£(Qaurdu一图7传统锥形天线结合接地寄生环的等效电路图图8传统锥形天线结合接地寄生环的输入阻抗的实数部分和虚数部分图6由电磁仿真软件计算出的传统锥形天线和传统锥形天线结合接地寄生环的输入阻抗-50-4传统锥形天线结合接地寄生环和套筒最后一步是将第三个天线的主要组成部分套筒的影响计入等效电路模型中。由文献1可知，此套筒的作用是扩展天线的高频工作范围，以达到超宽频带的覆盖特性。图9(a),(b)分别给出了图7和图10结构的电磁仿真结果。从这两幅图中，我们可以从输入阻抗的变化看到套筒的影响主要集中在两个方面：输入电抗值在低频端减小，在高频端增大；在6GHz处又出现了一

13、个谐振点。影响1我们将用一个串联的LC电路模拟，而影响2,我们用第四个RLC并联电路来模拟。所以,最后得到完整的等效电路。经过微调，最终可确定所有器件的取值如下：LO=1.1nH,Co=3.1pF,/?i=12OQ,£1=4.515nH,G=0.93pF,/0.99,3=2.81nH,C2=12.8pF,&3=50Q,%3=038nH,C3=3.32pF,7?4=40Q,£4=0.6nH,C4=0.65pF,3=0.3nH,C5=13.01pFo而根据图10所得，我们可以看出，等效电路很好的模拟了此低剖面，超宽带，锥形天线在整个工作频带内的输入阻抗。250->

14、addingaparasiticring-Re(Zin)addingaparasiticringandasleeve-Re(Zin)-50-1002345Frequency(GHz)(a)实数部分-150-150-addingaparasiticring-lm(Zln)addingaparasiticandasleevering-lm(Zin)0123456Frequency(GHz)(b)虚数部分图9由电磁仿真软件计算出的传统锥形天线结合接地寄生环和传统锥形天线结合接地寄生环，套筒的输入阻抗图10传统锥形天线结合接地寄生环及套筒的输入阻抗的实数部分和虚数部分5结论本文详细介绍了一个用等效电路

15、模拟低剖面，超宽带，锥形天线的输入阻抗的过程。.此天线由一个传统的锥形天线，一个寄生环和一个套简组成，可有效覆盖当代所有的无线通信频段。从此等效电路的逐步建造过程中，我们从输入阻抗的角度剖析了各个组成部分对天线频带性能的贡献，从而更加清晰和明确了此种天线的构造过程和深层思路。参考文献：1 Jie.Ma,Y.-Z.Yin,S.GZhouandL.-Y.Zhao,Designofanewwidebandlow-profileconicalantennaJ,MicrowaveOptTechnolLett51(2009),2620-2623.2 StanleyB.T.Wang,AliMNiknejadandRobertW.Brodersen,CircuitmodelingMethodologyforUWBOmnidirectionalSmallAntennasJ,IEEEJournalofSelectedAreasinCommunications,Vol.24,No.4,Apr.2006,pp.871-877.3 SebastienPalud,FranckColombel,MohamedHimdiandCyrilleLeMeins,CircuitModelingo