基于双锥同轴馈电的吸顶天线优化设计　

作者/ 高鹏鹏1 姚金杰1，2 1.中北大学 信息探测与处理技术山西省重点实验室(山西 太原 030051) 2.中国兵器淮海工业集团(山西 长治 046012)

*基金项目：国家自然科学基金(编号：61571404,61471325)

　　高鹏鹏(1993-)，女，硕士，研究方向：信息探测与信号处理;姚金杰，男，博士，讲师，研究方向：无线传感器网络、毫米波技术。

摘要：本文提出了一种基于同轴馈电微带天线的室内移动通信设计，在吸顶天线的基础上，优化天线的性能，完成信号的收发和速度的平滑处理。通过设置天线的物理特性，获得更多的增益，提升其发射性能，且不需要在电流上做更多复杂的处理。HFSS的仿真数据表明，该设计可以在4.0GHz的工作频率上得到更多的增益，也有各自的全方向半功率波束宽度。

引言

　　室内移动通信，即信号的室内覆盖。如会场、宾馆、办公室、电影院、住宅等场所，采用室内分布式系统来覆盖。吸顶天线^[1]因其具有外形美观，不影响室内观瞻，功率小等优点，广泛 地应用于室内移动通信系统中，实现信号的覆盖和信息的传输。随着全球信息化的快速发展，室内天线覆盖也在不断地改进，来满足日益密集的室内空间对信号强度和质量的需求。

　　吸顶天线可以追溯到1973年R.E.Munson提出的微带天线单元设计和1974年J.Q.Howell研究设计的基本矩形微带贴片天线。到现在，吸顶天线已经有大量的在室内信号传输方面的应用。一般的室内吸顶天线，白色向下的帽是天线体，往外辐射信号;向上弯曲的绳子是馈线^[2]，把信号从移动基站引入到天线。按照国家标准，在宽频带内工作的天线，其驻波比指标为VSWR≤2，当然，能达到VSWR≤1.5更好^[3]。

　　传统的双锥天线^[4]，削弱其终端反射的影响可以确保天线的电流分布，只有在一定长度的馈电点，才存在有效电流影响天线的辐射特性和阻抗特性。部分天线的参数会随着天线的延伸而快速衰减，使得天线类型和天线阻抗取决于有效相关电流的长度，而不影响扩展长度的协议。因此，天线的实际长度不会改变。在工作频率、有效面积对天线性能有显著影响的同时，也会适应频率的变化。这是符合宽频带工作天线的设计要求的。

　　本文在天线设计的基础上，对其进行优化设计，基于传输和天线模型，设计了同轴馈电天线^[5]，主要采用上下椎体和透射线结构。通过调整锥形的开口角度来提高天线的驻波比，使其能在宽频带中工作;通过控制天线的辐射方向，从而简单地调整上下椎体的不对称;最后通过HFSS仿真，验证了优化设计参数的有效性。

1 设计过程

　　电压驻波比(Voltage Standing-Wave Ratio，VSWR)^[6]通过调整上下椎体的角度，其特性阻抗、天线的辐射模式也将得到相应的调整。除此之外，我们还要改进新的结构参数和补偿方法。设计吸顶天线的端口特性阻抗为50 ，模式全方位，电压驻波比小于2，宽带频率范围且中心频率约为4GHz的吸顶天线，能够有效的减少反射。确定合适的锥角，以实现宽频带，高增益和全方位。

1.1 锥角优化

　　理论上讲，在锥角较大，尤其是接近90°时，输入阻抗与特性阻抗越接近，其输入电抗将接近于零。但通过实际的仿真和实验，证明锥角为60°时空间辐射的增益最优，能够实现最好的宽带特性^[7]。然而在本文中，为了确保双锥形天线具有良好的全向特性，我们将双锥形设计为高度相同、开口的底部直径相同，并与同轴传输线连接，锥体的开口角度稍减小，不再是60°。

1.2 传输线的选择

　　根据全向吸顶天线的设计要求，我们选择同轴电缆作为波导传输线^[8]。由于选择的天线是上下双锥结构，是典型的双导体同轴传输系统，主要传输TEM波。要使设计天线工作在宽频带，且能够传输TEM波，能够实现TE、TM波的混合和复杂处理，同轴电缆完全符合设计要求。

1.3 特性阻抗的分析

　　在以上的选择设计前提下，同轴传输线有：

　(1)

　　上式中，a和b分别是同轴的芯半径和整体的半径， ε为相对介电常数。根据同轴电缆的规格，当同轴线的内外半径比例达到1.65，同轴电缆将达到最大传输功率。当比例达到3.1时，同轴电缆达到最佳电压穿透率。当我们设定负载的输入阻抗为50Ω，此时内外半径之比值为3.1，我们选用同轴的芯半径为0.255mm，外半径为0.835mm与之匹配。

1.4 同轴电缆长度的确定

　　由设计要求，同轴电缆长度参数曲线如图1，综合分析回波损耗、电压驻波比，增益、阻抗匹配及输入阻抗，最佳的同轴电缆长度应为15mm。

2 天线性能与仿真分析

　　为了模拟和分析各种参数的双锥吸顶天线的性能，我们使用HFSS三维电磁仿真软件，主要针对回波损耗、驻波比、Smith圆图、输入阻抗等性能，仿真结果如图2~图5。

2.1 回波损耗

　　由图2可知，天线设计围绕的中心频率约为4GHz，且回波损耗小于15dB，达到了中心频率的技术要求。

2.2 电压驻波比

　　由图3可以看出，在中心频率为4GHz时，电压驻波比达到1.4，而VSWR≤2.0的带宽达到800MHz(3.7GHz~4.5GHz)，相对带宽约为20%，符合宽频带工作天线电压驻波比小于2.0的要求。

2.3 Smith圆图

　　由图4可知，双锥吸顶天线的阻抗匹配是可以实现的。当中心频率为4GHz时，其归一化阻抗约为1。

2.4 输入阻抗

　　输入阻抗是阻抗匹配的关键，由于传输线和其他电子线路如输入端口阻抗，其本质上是等效阻抗，因此我们可以将天线的输入阻抗通过HFSS直接表现出来。由图5可知，在中心频率为4GHz的室内天线设计中，输入阻抗约为(59-j17) ，比较接近理论分析，而且更容易匹配，同时也满足50 的输入阻抗要求。

2.5 模式

　　天线方向图是方向函数的图形表示，它用来描述天线辐射特性随着空间方向坐标的变化，辐射特性有辐射强度、场强、相位和极化，通常在远场半径为常数的大球面上讨论。天线辐射(接收)的功率或场强随位置方向坐标的变化规律，分别称为功率方向图或场强方向图。在定义辐射表面的基础上，利用HFSS软件进行仿真，E面、H面和3D方向图分别如图6和图7所示。

　　由3D仿真图可以看出，设计在各个方向的增益都是最强的，基本满足天线全向性的设计要求。

3 结论

　　本文提出了一种新型同轴馈电微带的设计，在传统天线的基础上，进行锥角优化、天线选择、特性阻抗分析，选择同轴设计的长度和形状优化，并通过HFSS进行模拟仿真。设计结果表明，优化后的同轴馈电微带天线可以满足4GHz的工作频率，天线达到最大增益时的驻波比为1.4，满足宽频带全向天线的设计要求。这种设计方式是天线设计的基础，在室内通信和定位领域上，具有很强的工程应用价值。

　　参考文献：

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　　[2]张德斌,周志鹏,朱兆麒.雷达馈线技术[M].北京:电子工业出版社,2010,09.

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　　[4]Samaddar SN, Mokole EL. Biconical Antennas With Unequal Cone Angles(vol 46, pg 181,1998)[J]. IEEE TRANSACTIONS ON ANTENNAS AND PROPAGATION, 2010,58(12):4120-4120

　　[5]郑文泉,万国宾,赵雨辰.同轴馈电微带天线输入阻抗的高效精确计算[J].电波科学学报, 2014,2:265-269.

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　　[8]钦耀坤,于文泮.从微波到毫米波的波导传输线[J].光纤与电缆及其应用技术,1983,1:29-34.

　　本文来源于《电子产品世界》2017年第9期第37页，欢迎您写论文时引用，并注明出处。