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短波宽带接收天线

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短波宽带接收天线短波宽带接收天线 第23卷??第4期??????2008年8 月??????????????????CHINESEJOURNALOFRADIOSCIENCE??电??波?? 科??学??学??报????????????ol.23,No.4????VAugust,2008????????文 章编号??1005??0388(2008)04??0616??04 王科平1????王志功1??冯??军1??赵海涛2 (1.东南大学射频与光电集成电路研究所,江苏南京210096; 2.东南大学生物电子学国家重点实验室,江苏南京21...
短波宽带接收天线
短波宽带接收天线 第23卷??第4期??????2008年8 月??????????????????CHINESEJOURNALOFRADIOSCIENCE??电??波?? 科??学??学??报????????????ol.23,No.4????VAugust,2008????????文 章编号??1005??0388(2008)04??0616??04 王科平1????王志功1??冯??军1??赵海涛2 (1.东南大学射频与光电集成电路研究所,江苏南京210096; 2.东南大学生物电子学国家重点实验室,江苏南京210096)* 关键词??全球数字广播;中短波;宽带天线;接收天线 中图分类号??TN82??????????文献标志码??A Designofaspace??limitedreceivingantenna inMWandSWbands WANGKe??ping??WANGZhi??gong??FENGJun??ZHAOHai??tao1112 (1.InstituteofRF&OE??ICsofSoutheastUniversity,NanjingJiangsu210096,China; 2.StateKeyLaboratoryofBiologicalElectronics,SoutheastUniversity,NanjingJiangsu210096,China) Abstract??Abroadbandreceivingantennaworkinginmiddle??andshort??w——————————————————————————————————————————————— avebandisproposedforDRM(DigitalRadioMondiale)system.Hilbertfractalantenna,meanderlineantenna,multi??loopantennaareproposedtofabricateonthesurfaceofthreedimensionsofthereceiverboxandtoconnecttogetheratthefeedingpoint.Becauseofself??similarityandspace??fillingproperties,Hilbertfractalantennaisapowerfultooltodesignmulti??frequencyandlowresonantfrequencyantenna.Ex??perimentalresultsshowthatcomparedwithtwokindsofreceivingantennaforDRMsystemprovidedbyaprofessionalcompany,thisreceivingantennahasahighenoughreceivingsensitivitybutareducedsize. Keywords??DRM;MWandSW;broadbandantenna;receiveantenna 1??引??言 全球数字广播(DRM,DigitalRadioMondiale) 是目前世界范围内唯一公开的、覆盖30MHz以下 长波(148.5~283.5kHz)、中波(525~1710kHz) 和短波(2.3~27MHz)的数字广播系统。其天线设 计往往成为了制约DRM接收机小型化和袖珍化的 收稿日期:2007??06??13主要因素。研究基于此类的袖珍信 息终端的小型化天线与实现具有重要的意义。传统的中短波接收 机接收天线往往采用鞭状天线和磁棒天线。鞭状天线通常体积较大, 不易与接收机的机体实现集成。磁棒有很强的方向性,不利于全方向 接收,并且本身要占用一定的体积,不利于接收机的小型化,同时由于 磁棒属于脆性材料,容易破碎。另外要实* ——————————————————————————————————————————————— ?? [7] 617 以表示为: ????S(n)=L+2n H (3) 对于在L H(L!H)大小的介质基片上实现环与环之间间距为d(d??L,d??H)的n阶多环环形天线而言,其总长度S可以表示为:????S(n)=2n(L+H )-4n(n-1)d (4) ,弯折线天线也有同样 (a)n=1????????(b)n=2?? ??????(c)n=3 图2??弯折线天线生成示意图 在此针对中短波DRM通信系统提出了一种能够集成于接收机机壳表面的袖珍隐形天线,该天线基于分形技术和弯折技术,在机壳表面的三维方向上分别设计有Hilbert分形天线、弯折线天线、多环环形天线,三维方向上的三种天线在馈电端相连,对射频前端电路馈电。最后通过实验验证了其尺寸缩减特性和高接收灵敏度特性。 (a)n=1????????(b)n=2????????(c)n=3 图3??多环环形天线生成示意图 ——————————————————————————————————————————————— 2??天线结构、工作原理和设计 首先考虑Hilbert分形天线生成方法,图1为Hilbert分形天线生成示意图。图1(a)为初始元,图1(b)和图1(c)为生成元。其中第K+1阶生成元和第K阶生成元之间的关系可以由以下公式表示:????FK+1= FK2+F K 2 FK2-FK 2 (1) 天线的电长度L/??决定了天线的增益、输入阻抗、方向图等特性,因此在DRM系统终端上设计的天线必然属于电小天线范围,电小天线由于其尺寸限制往往辐射效率较低,因此多用于接收天线设计。分形天线由于其自相似性和空间填充性,能够解决电小天线存在的问题,增加辐射电阻,提高天线效率,同时又能够满足电小天线条件,可以等效于基本磁振子,磁偶极子作用,实现全方向性接收。Hil??bert分形是分形天线中一种较好的分形,其尺寸压缩因子明显优于Koch、Minkowski、Sierpin??ski等分形方法,它可以实现几乎填充于整个L L的平面上,并且实现最长不相交。从公式(2)、(3)和(4)可以看出随着天线设计阶数的增加,在有限的空间尺寸下(L L或者L H)Hilbert分形天线的总 图1??Hilbert分形天线生成示意图 ——————————————————————————————————————————————— [7] 长度和分形阶数成指数级的关系,而弯折线天线和多环环形天线成倍数级关系,因此和普通鞭状天线甚至弯折线天线、多环环形天线相比较,其能够在更小的尺寸下实现相同的接收灵敏度。 另外,分形由于其自相似性,当分形天线按照比例因 子??1、??2、??3等变化后仍然等于自身,因此分形 (2) 天线在f/??1、f/??2、f/??3等频率点上具有相同的电尺寸,因此在这些频率点上输入阻抗特性相同,只要设计恰当使得天线在这些频点间隔范围内变化不大,即可实现多频带和宽频带特性,同时可以实现在多频带或者宽频带内?自加载#特性,不需要额外调谐线圈实现宽带阻抗匹配。Hilbert分形天线谐振 可以通过复制、缩小、旋转、连接的方法来从第K阶生成元生成第K+1阶生成元。因此,对于在L L大小的介质基片上实现n阶Hilbert分形天线而言,其总长度S可以表示为:n+1????S(n)=n+1L 2-1 [7] 弯折线天线和多环环形天线的生成方法较为简单,图2为弯折线天线生成示意图,图3为多环环形天线生成示意图。对于在L H(L!H)大小的介质基片上实现n阶弯折线天线而言,其总长度S可 618电??波??科??学??学??报第23卷 阻抗(也即工作波长)和天线尺寸的关系满足公式(5)[9]:?? ——————————————————————————————————————————————— log-1=S(n)log-1+4bb 4n-1log0b(2-1 tan# (2n-1-1) (5) 圈天线(150mm 100mm、圈数6圈)和鞭状天线 (全长70cm)为基准,利用SP2281数字射频电压(功率计)观测所设计的天线在1~20MHz频率范围内的接收灵敏度特性。 图5是根据上文所设计的7种DRM系统终端接收天线和HimalayaDRM2009接收机矩形漆包线线圈天线感应电压特性测试结果比较。由图5可以看出,Hilbert分形天线和弯折线天线在1~20MHz的频带内,感应电压幅度明显强于矩形漆包线线圈天线,同时可以看出在电小条件限制情况下,Hilbert分形天线的接收灵敏度明显优于弯折线天线和多环环形天线,进一步验证了Hilbert分形天线具有更高的空间填充性。另外,可以看出三维天线(如图4(d)所示)能够进一步增强接收天线的灵敏度。表 1是7种DRM系统终端接收天线和Hi??malayaDRM2009接收机矩形漆包线线圈天线尺寸和归一化功率结果比较。可以看出,除多环环形天线之外,其他各种天线在实现尺寸缩减同时均能够实现更高的接收灵敏度,并且对于如图4(d)所示的三维天线而言能够实现5.439倍的接收灵敏度,同时该天线易于集成于接收机机壳表面。 式中,b为天线导体线宽; 为自由空间波阻抗。 ——————————————————————————————————————————————— 对于不同的尺寸的中短波DRM通信系统终端,可以根据实际需要选择上述一种或者多种天线方案,选择合适的介质基片材料、面积和天线阶数,实现能够集成于接收机机壳表面的接收天线。所有天线样品均制作在相对介电常数为?r=2.65,厚度为h=1mm,损耗角正切%?0.001的聚四氟乙烯介质基片上。最终加工制作的天线实物照片参见图4。图4(a)为Hilbert分形天线实物照片,尺寸大小为100mm 100mm,分形阶数设计有5阶和6阶两种,导线线宽设计有0.5mm和1mm两种;图4(b)为弯折线天线实物照片,尺寸大小为150mm 50mm,天线阶数为34阶,导线线宽为1mm; 图 4(c)为多环环形天线实物照片,天线阶数为10阶,线宽为1mm;图4(d)为一种可以集成于接收机机壳的三维隐形袖珍天线(以下简称三维天线)照片,将上述三种天线置于接收机机壳的三个不同维的表面,在馈电端相连,对射频前端电路馈电。 图5??感应电压测试结果 表1??天线尺寸和归一化功率测试结果天线类型矩型漆包线线圈天线 图4??天线实物照片 多环环形天线弯折线天线 5阶Hilbert分形天线(0.5mm)5阶Hilbert分形天线(1mm)6阶Hilbert分形天线(0.5mm) 三维天线 ——————————————————————————————————————————————— 天线尺寸(mm)150 100100 50150 50100 100100 100100 100150 100 50 归一化功率*10.8381.4431.8991.9502.5445.439 3??测试结果与分析 对于中短波DRM通信系统终端接收天线而言,由于其相对较低的 工作频段和电小天线限制,难以直接得到其输入特性和辐射特性,因此 采用在相同发射功率的条件下,以香港Himalaya公司开发的 HimalayaDRM2009接收机用的矩形漆包线线 *1~20MHz范围内接收到功率大小总和对矩型漆包线线圈天线求 归一化大小。 图6为如图4(d)所示的三维天线和Himalaya 接收机天线设计。 619 [2]??吴昌英,张??璐,许家栋.加载单极子天线的时域辐射 特性[J].电波科学学报,2002,17(3):295??299. WuCY,ZhangL,XuJD.Thetimedomainradiation characteristicsofloadedmonopole[J].ChineseJour??nalofRadioScience,20 02,17(3):295??299.[3]??AKSkrivervik,JFZurcher,OStaub,JRMosig.PCSante nnadesign:thechallengeofminiaturization [J].IEEEAntennasandPropagationMagazine.2001,43(4):12??27. [4]??DHWerner,SGanguly.Anoverviewoffractalan?? ——————————————————————————————————————————————— tennaengineeringresearch[J].IEEEAntennasandPropagationMagazine.2003,45(1):38??57. [5]??CPBaliarda.TheKochmonopole:asmallfractalan?? tenna[J].IEEETransactionsonAntennaandPropa??gation.2000,48(11):1773??1781. [6]??CBorja.OnthebehaviorofKochislandfractalbound?? arymicrostrippatchantenna[J].IEEETransactions onAntennaandPropagation.2003,51(6):1281??1291. 图6??感应电压测试结果 表2??天线尺寸和归一化功率测试结果天线类型矩型漆包线线圈 天线 三维天线HimalayaDRM2009鞭状天线圈天线求归一化大小。 天线尺寸(mm) 归一化功率* [7]??JAnguera,CPuente,EMartinez,ERozan.Thefrac?? talHilbertmonopole:atwo??dimensionalwire[J].Mi?? crowaveandOpticalTechnologyLetters,2003,36(2):102??104. [8]??BestSR.AdiscussiononthesignificanceofGeometry indeterminingtheresonantbehavioroffractalandoth?? ——————————————————————————————————————————————— ernon??euclideanwireantennas[J].IEEEAntennasandPropagationMagazin e.2003,45(3):9??28.[9]??VinoyKJ,JoseKA,VaradanVK,etal..Resonant frequencyofHilbertcurvefractalantennas[C].IEEE AntennasPropagationInternationalSymposiumDigest3.2001,648?? 651. 150 1001 150 100 505.439 700 6.688 *1~20MHz范围内接收到功率大小总和对矩型漆包线线 4??结论 提出了一种适用于DRM通信移动终端接收机机壳的宽带接收天 线,给出了天线工作原理,结构和设计参数。测试结果表明,在相同发射 功率条件下,和香港Himalaya公司提供的两款中短波DRM接收机天线 比较,明显缩小了天线尺寸,提高了天线的接收灵敏度。此外该接收天 线易于大规模制作,成本较低,能够集成于接收机机壳表面,在三维任 意一方向上都能实现高接收灵敏度。所以,这种天线具有很强的实用 性和良好的应用前景。 致谢:感谢香港Himalaya(Power)ElectronicCo.,Ltd提供项目研究资 助。参考文献 [1]??柳??超,刘其中,梁玉军等.舰用短波宽带鞭状天线研 究[J].电波科学学报,2006,21(6):955??958. ——————————————————————————————————————————————— LiuC,LiuQZ,LiangYJ,etal..Designofbroadbandshipboardwhip??typeantenn aathighfrequencyband[J].ChineseJournalofRadioScience,2006,21(6):955? ?958. 王科平??(1981-),男,江苏人,东南大学射频与光电集成电路研究所博士生,主要研究方向为射频天线设计和射频集成电路设计 等。 E??mail:wkptom@seu.edu. cn 王志功??(1954-),男,河南人,博士,东南大学教授,博士生导师,在国际和国家级重要会议和核心期刊上发表260余篇,主要研究方向为射频天线设计,射频、超高速、微波和毫米波集成电路、光电 集成电路设计等。 E??mail:zgwang@seu.edu.cn ———————————————————————————————————————————————
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