隨著無線通信技術(shù)的發(fā)展，寬頻帶和小型化是目前天線的主要研究方向。菱形天線作為一種結(jié)構(gòu)簡單的行波寬頻帶天線，具有增益高、方向性強的優(yōu)點，在短波、超短波和微波波段得到了廣泛的應(yīng)用。
目前在菱形天線的結(jié)構(gòu)改進和小型化寬帶化方面，人們做了大量的研究工作。其中，參考文獻[1]采用分形幾何方式設(shè)計了一種貼片菱形天線，可工作于PCS(1.85~1.99 GHz)，UMTS(1.92~2.17 GHz)，WLAN(2.4~2.484 GHz/5.15~5.35 GHz/5.725~5.825 GHz),WiMAX(2.305~2.36 GHz/2.5~2.69 GHz/5.25~5.85 GHz)等多種帶寬應(yīng)用環(huán)境；參考文獻[2]研究測試了工作于2.4 GHz~2.9 GHz的平面菱形臂偶極子天線性能，提出了利用無源菱形貼片提升印刷偶極子天線的帶寬性能；參考文獻[3]設(shè)計了一種具有圓極化的四菱形環(huán)狀天線，天線增益可達9.7 dBi，主波束寬度超過130°，并且通過寬帶巴倫使天線帶寬增加；參考文獻[4]利用多層印刷偶極子天線組成了一種簡單低成本的菱形天線，通過對饋線的優(yōu)化，使天線在C~X不同波段內(nèi)的阻抗和輻射特性良好，實現(xiàn)了超寬帶特性，另外，通過雙疊形式實現(xiàn)了天線的雙極化；參考文獻[5]利用7個十字交叉菱形天線構(gòu)成了帶頂?shù)男绷忮F菱形天線陣列，并通過Matlab軟件對該天線陣的方向圖和S參數(shù)進行了仿真分析；參考文獻[6]通過水平層疊單菱形天線構(gòu)成雙菱形天線，使得天線增益成倍增加；參考文獻[7]以菱形偶極子為輻射器，通過安裝引向器和反射電容板，構(gòu)成了菱形四偶極板天線，并應(yīng)用于實際工程中；另外，在天線性能仿真方面，參考文獻[8-9]采用了以矩量法為內(nèi)核的4NEC電磁仿真軟件用于菱形天線的研究設(shè)計，仿真計算了天線的方向圖、增益、輸入阻抗、駐波比等電參數(shù)。
本文利用4NEC電磁仿真軟件優(yōu)化設(shè)計了一種工作于微波波段的帶反射板的疊雙菱形天線，并用PNA3621網(wǎng)絡(luò)分析儀對制作的天線進行了測試，測量結(jié)果與仿真結(jié)果較為吻合，天線的相關(guān)電參數(shù)較好。
1 菱形天線的工作原理和參數(shù)設(shè)計
1.1 菱形天線的工作原理
菱形天線是由4根導(dǎo)線組成菱形結(jié)構(gòu)，并水平地懸掛在4根支柱上。天線的一銳角端接饋線，另一銳角端接與菱形天線特性阻抗匹配的負載，使導(dǎo)線上載行波電流，如圖1所示。菱形天線亦可看成是一段匹配傳輸線從中間拉開形成，由于兩線之間的距離大于波長，從而構(gòu)成開放系統(tǒng)，產(chǎn)生輻射。菱形天線的最大輻射方向位于通過兩銳角頂點的垂直平面內(nèi)，指向終端負載方向，具有單向輻射特性。
菱形天線的輻射場可看成是4根行波單導(dǎo)線的輻射場疊加而成，如圖2所示。
菱形天線的方向系數(shù)一般是以假設(shè)菱形天線上的電流是行波分布來近似計算的[8]，其大小為：
2 天線設(shè)計及測試分析
2.1 疊雙菱形天線建模與仿真分析
設(shè)計中采用4NEC2仿真軟件進行天線模型的搭建和性能分析。該軟件基于Windows 操作系統(tǒng)，對二維和三維幾何式天線進行建模、仿真、參數(shù)掃描和性能優(yōu)化。根據(jù)設(shè)計好的參數(shù)，搭建疊雙菱天線模型并得到仿真結(jié)果，如圖4所示。
使用普納公司的PNA3621型矢量網(wǎng)絡(luò)分析儀及天線測試轉(zhuǎn)臺對該天線進行阻抗特性和方向特性的測試。該設(shè)備采用電橋法可對天線的負載、回波損耗、駐波等反射特性進行測試；采取旋轉(zhuǎn)天線法可測試天線的增益和方向性：將待測天線固定于測試轉(zhuǎn)臺上，通過方向控制器控制天線在水平面內(nèi)旋轉(zhuǎn)360°，接收天線接收來自云臺上發(fā)射天線的場強，經(jīng)過處理后得到測試結(jié)果。在網(wǎng)絡(luò)分析儀儀表面板顯示結(jié)果的同時，通過網(wǎng)絡(luò)分析儀串行接口，在電腦上可顯示出測量的相關(guān)圖形曲線和數(shù)據(jù)。
測試頻率范圍為2.35 GHz~2.45 GHz，以5 MHz為間隔，共選取21個采樣測試點，測得天線輸入端電壓駐波比(VSWR)及回波損耗(RL)曲線和直角與極坐標下的E面方向圖，如圖6所示[15]。
與仿真結(jié)果相比,在100 MHz帶寬內(nèi)，駐波比和回波損耗曲線的變化趨勢基本相同，稍高于理論仿真結(jié)果，在2.39 GHz時,駐波比VSWR≈1.25,回波損耗RL=-20 dB，整個測試頻段內(nèi)駐波比VSWR<2.7。造成這種結(jié)果的主要原因是天線在制作精度上會存在一定的誤差,以及天線與饋線連接處由于焊接的原因,造成阻抗不匹配所致。
從方向圖中可以看出，疊雙菱形天線的定向性和對稱性較好，其主瓣寬度為56°，但是第一副瓣電平較大，與仿真時的結(jié)果有些差異。方向圖不平滑呈鋸齒狀是由于試驗室的空間測試環(huán)境有限，造成電波多次反射后進入測試天線所致。
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