陳凱亞,黃宗盛

(西南交通大學 電磁所,成都 610031)

1 引 言

與多數傳統(tǒng)天線形式相比,微帶貼片天線[1]具備體積小、重量輕、剖面薄、易集成、易共形、易于加工、造價低等優(yōu)點,廣泛應用于移動通信系統(tǒng)(GSM、CDMA)、直接廣播系統(tǒng)(DBS)、全球定位系統(tǒng)(GPS)、遙感系統(tǒng)中。另一方面,隨著3G時代的來臨,通信設備不斷向小型化、寬帶化發(fā)展,對天線體積、集成化及帶寬的要求也越來越高。但是,微帶天線的帶寬相對較窄,因而如何展寬帶寬便成了微帶天線研究的熱點。

1995年,T.Huynh和K.F.Lee首次提出了U形貼片天線的概念[2]。該天線結構簡單,通過在普通矩形貼片天線的貼片上開出U形槽即可得到。這種結構的微帶天線由于貼片具有U形縫隙,縫隙邊緣電流引入了附加諧振,同時,縫隙也引入了容抗,與探針的感抗相抵消,從而展寬了頻帶。相對于普通的矩形貼片天線而言,該天線在頻帶寬度上有很大提升,從普通矩形貼片天線的4%～8%提高到了47%,這將使貼片天線得到更廣泛的應用。同時,該天線的幾何尺寸也很小,高度僅為2.69 cm。

在這之后,U形貼片天線得到了進一步的改進,以滿足其在許多方面的應用。文獻[3]將U形槽開在三角形的貼片上,得到了約18%的阻抗帶寬(工作頻率為1677MHz),而沒有開U形槽的三角形貼片天線的帶寬只有10%。文獻[4]提出的雙U形槽矩形貼片天線同樣可以獲得44%的阻抗帶寬。文獻[5]中提出的U形貼片天線附著在介質板的下面,當VSWR<2時,可獲得約33%的帶寬。而文獻[6]中提出了一種可用于無線局域網(WLAN)的U形槽加載的雙頻貼片天線,可工作在無線局域網的2.4GHz和5.2GHz兩個工作頻段。文獻[7]中提出的臂長不等的1/4波長U形貼片天線工作于雙頻,由于臂長不等可以使較低的工作頻段獲得雙模式諧振而展寬帶寬,在兩個工作頻段上均獲得10%左右的工作帶寬。

U形槽(U-slot)[2]加載己經成為展寬微帶天線工作帶寬的重要手段之一,而短路墻加載的方法可用來減小貼片天線的尺寸。本文利用U形槽和短路墻聯(lián)合加載,在實現貼片天線寬帶化的同時,兼顧了天線的小型化。

在文獻[7]的基礎上,設計了一副結構更加簡單的四分之一波長U型貼片天線。該天線工作于單頻,阻抗帶寬可達49%。實際制作了該貼片天線,使用ROHDE&SCHWARZ ZVB20矢量網絡分析儀對天線進行了測試,測試結果與仿真結果基本吻合,驗證了設計的正確性。

2 天線的結構

天線結構如圖1所示。天線采用同軸探針饋電,同軸線的內導體與貼片相連而外導體則與接地面相連,基底為泡沫。加載的短路墻兩端分別連接在金屬貼片和接地面上,見圖中顏色較深部分。

圖1 1/4波長U形貼片天線的結構Fig.1 The structure of quarter-wave U-shaped patch antenna

3 天線的設計與仿真

貼片天線由于其饋電探針所帶來的感性電抗使得貼片天線的帶寬很難超過10%,而U型槽加載的方式可以有效降低這種感性電抗使得天線的阻抗帶寬得到展寬。同時,U型槽加載的方式保持了矩形貼片天線結構簡單的優(yōu)點,得到廣泛應用。普通的貼片天線都在半波長諧振,天線的尺寸在半波長左右。而短路墻加載的方式使天線在四分之一波長諧振,可以有效減小貼片天線的尺寸,理論上可以減小到原來矩形貼片天線的1/4。本文設計的短路墻加載的U型貼片天線,通過U型槽加載使天線實現雙頻工作,將雙頻比調整得接近1以展寬天線的工作頻帶。同時,短路墻加載有效減小了貼片天線的尺寸。

首先根據矩形貼片天線的設計公式[8],得到未開U型槽的四分之一矩形貼片的尺寸。四分之一波長矩形貼片天線的設計公式為

式中,L為貼片的長度,W為貼片的寬度,c為光速,fr為天線的中心頻率,εr為介質的相對介電常數,εe為等效介電常數[8],Δl為貼片的延伸常數[8]。本文采用空氣或泡沫作基底,因而εr≈εe≈1,得出天線的長度和寬度在35mm左右。然后利用Ze-land IE3D 12.0對天線進行建模仿真,得出開了U型槽的貼片天線的諧振特性與各參數的關系。f2、f1分別為貼片天線的高低諧振頻率。貼片的長度 L對f1、f2均有影響,且此影響呈反比規(guī)律,即當 L增大時f1、f2下降。貼片天線的高頻諧振點f2受U形槽寬度W3影響較大,且隨著 W3增大f2下降,而低頻諧振點f1基本不受其影響。U形槽距離短路墻的距離a將影響貼片天線的高頻諧振點,且隨著a增大f2升高,而 a對f1基本沒有影響。文獻[7]曾利用U形貼片天線的兩個U形臂的不同寬度和長度在天線的低頻諧振點附近產生另外的諧振,使天線在低頻諧振點工作于雙模式以展寬帶寬。由于不希望多余的諧振點產生,故本文中將兩個U形臂的寬度和長度均設為一樣,即UW1=UW2,UL1=UL2。U形槽的寬度 UW1、UW2對 f2影響較大,且隨著 UW1、UW2增大,f2增大,而f1基本不變。天線的諧振頻率f1、f2均不受U形槽橫向臂寬度b的影響,或者說U形槽橫向臂寬度b對f1、f2的影響很小。

通過前面的仿真分析,綜合考慮各個參數對天線高低諧振頻率的影響,天線參數設計如表1所示。

表1 天線參數取值Table 1 The parameters of the antenna 單位:mm

天線的S11曲線仿真結果如圖2所示。

圖2 1/4波長U形貼片天線的S11曲線Fig.2 The S11curve of the antenna

從圖2中可以得出,此時天線的高低諧振頻率已靠得較近,雙頻比接近于1,此時有效工作頻段為1.52～2.5GHz(S11<-10dB),天線的阻抗帶寬大約為49%。從圖中還可看出,天線工作頻段上從1.59～2.32GHz的部分 VSWR<1.5,諧振特性很好。

4 天線的制作與測試

該天線結構簡單,通過對一塊薄銅片進行切割,即可制作出該天線。采用泡沫作支撐基底,利用同軸探針饋電。這樣加工制造的精度較低,由于此時主要在于驗證理論分析的正確性,因而是可取的。該天線加工出的實物圖如圖3所示。

天線實測到的S11曲線如圖4所示。其有效工作頻段為1.5～2.5GHz(S11<-10dB),與計算機仿真分析的結果基本吻合,說明了理論分析的正確性。但由于加工精度的原因并未達到與仿真結果完全一致。

圖3 實際制作出的天線Fig.3 The picture of the antenna

圖4 天線實測得到的 S11曲線Fig.4 The S11curve measured of the antenna

5 結束語

U型槽加載使天線具有雙諧振頻率,通過將天線的諧振頻率調整得較為接近以展寬天線的工作頻帶,而短路墻加載可以大大減小天線的尺寸。本文即采用U型槽加載和短路墻加載技術,設計并制作了一副貼片天線。與文獻[7]中的不等臂U型貼片天線相比,該天線結構簡單,便于設計以及加工制作,同時方便集成于移動通信設備中。天線的尺寸為29.5mm×40mm×12mm,阻抗帶寬為49%。該天線可應用于3G移動通信系統(tǒng)中對天線帶寬和尺寸要求較高的場合。實際加工出的天線的測試結果與理論基本吻合,驗證了理論設計的正確性,對于四分之一波長U型貼片天線的設計可以擴展到其它頻段以適應不同的需求。當然,所設計天線的高度可通過采用高介電常數的基底進一步降低,將在后續(xù)工作中進行相關方面的研究。

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