[科普中国]-单极天线

单极天线是竖直的具有四分之一波长的天线。该天线安装在一个接地平面上，它可以是实际地面，也可以是诸如搭载工具车体等人造接地面上。单极天线的馈电是在下端点使用同轴电缆进行的，馈线的接地导体与平台相连接。在自由空间中，四分之一波长单极天线在垂直平面上的辐射方向图与半波偶极天线在垂直平面中的方向图形状相似，但没有地下辐射。在水平面上，垂直单极天线是全向性的。

简介为满足软件无线电和UWB(超宽带)系统对天线的需求，有人想设计这样一种天线—宽带并且能筱盖无线终端的全部所需频段的天线。宽带平面单极天线就是符合这种条件的天线之一。

平面单极天线能够在很宽的阻抗带宽上提供令人满意的辐射性能，并且制作简单，成本低廉。该类天线不仅能覆盖GSM900,GSM1800/PCS1900,IMT一2000 , 2.45 GHz和5.8GHz的ISM频段，而且能覆盖1.9-10.6GHz的UWB频段。

该天线安装在一个接地平面上，它可以是实际地面，也可以是诸如搭载工具车体等人造接地面上。单极天线的馈电是在下端点使用同轴电缆进行的，馈线的接地导体与平台相连接。

在自由空间中，四分之一波长单极天线在垂直平面上的辐射方向图与半波偶极天线在垂直平面中的方向图形状相似，但没有地下辐射。在水平面上，垂直单极天线是全向性的。

四分之一波长单极天线根部的输入阻抗为偶极天线阻抗的一半。辐射功率也为偶极天线的一半。

在某些移动和便携设备上，四分之一的波长还是太大了，在这种情况下可以用增加天线的电感来增加天线的电气长度，这种做法在天线的根部和中部都可以进行，或者也可以将整个天线做成线圈状1。

四种平面单极天线的设计平面单极天线的形状可以是正方形、圆形、椭圆形或三角形。考虑到生产的方便性和实用性，本文仅研究正方形和正方形切角天线。制作天线的材料可以选择0.5mm左右厚度的铜板或铁板，切割成正方形。接地板可以选择边长100-200mm的正方形覆铜的印刷电路板。馈电处钻一个4mm的园孔，安装一个SMA插座，芯线露在接地板之上，作为天线的馈电点。将正方形平面天线垂直地焊接在SMA插座芯线之上，馈电点为平面天线底边的中点，焊接时留出馈电间隙(FeedGap) h。

不切角的正方形平面单极天线阻抗带宽较窄，但其四种变化的形式可以不同程度地展宽天线的阻抗带宽。第一种变形，即在制作好正方形天线的基础上，在底边的一个角上用一根1mm直径的导体或2mm宽的铜片和接地板相连，也称短路支节(Shorting Post)，以下简称a形天线;第二种变形，即在底边上的一边截去一个三角形缺口，角度的大小可以为10°一64°不等，以下简称b形天线;第三种变形，即在制作好b形天线之后，在底边的另一边增加一个短路支节，如图1(a)所示;第四种变形，即在制作好b形天线的基础上，在底边的另外一边对称地截去一个三角形缺口，以下简称d形天线，如图1(b)所示。之所以将正方形天线作四种变形，根本目的是为了增加天线的阻抗带宽，并且可以减小天线的尺寸。

最佳馈电间隙及对称切角天线馈电点的处理根据大量的实验发现，平面底边和接地板之间的间隙会影响整个天线的最大阻抗带宽。对称切角天线在切完角之后会留下一个尖角，尤其是切角度数较大时，适当地修剪留下的尖角可以明显改善驻波比和阻抗带宽，以65mm x 65mm平面对称切角天线为例，切角度数为40°，修剪切角高度为3mm时，阻抗带宽最优，其2 : 1 VSWR带宽为6.38GHz，下限频率为1.99GHz，上限频率为8.37GHz2。

天线边长和切角的的选取为得到天线边长和切角与阻抗带宽之间的关系，使用网络分析仪对边长35-65mm的7种铜质a形天线的阻抗带宽进行了测量，得到天线边长和2 : 1VWSR阻抗带宽的关系。随着天线尺寸的增大，天线的阻抗带宽的上下限频率都会减小，并且阻抗带宽也会随之减小。

不同材质天线的比较制作天线所使用的材质有两种:0.5mm厚的铜板和0.2mm厚的镀锡钢板。将这两种材质制作成同样形状的天线。

根据统计发现，同样形状的天线，0.2mm的镀锡钢板天线比0.5mm的铜板天线的阻抗带宽要窄5%-10%，但是按照制造成本来说，镀锡钢板天线的性价比要比铜板天线高许多。制作成本低是平面单极天线的又一大优点3。

本词条内容贡献者为:

杜强 - 高级工程师 - 中国科学院工程热物理研究所