楊克榮, 楊明武, 張青春, 張祖華

(合肥工業(yè)大學(xué) 電子科學(xué)與應(yīng)用物理學(xué)院,安徽 合肥 230009)

新型低剖面三頻微帶天線設(shè)計(jì)

楊克榮, 楊明武, 張青春, 張祖華

(合肥工業(yè)大學(xué) 電子科學(xué)與應(yīng)用物理學(xué)院,安徽 合肥 230009)

針對(duì)目前單天線實(shí)現(xiàn)多頻段工作的要求,文章提出并設(shè)計(jì)了一款低剖面緊湊型三頻微帶貼片天線。天線的輻射單元由雙G型和U型陷波結(jié)構(gòu)構(gòu)成。天線高度僅為1 mm,真正實(shí)現(xiàn)了低剖面,通過Ansoft HFSS軟件仿真得出其工作頻段為861～964 MHz、1.53～1.99 GHz、2.2～2.64 GHz,實(shí)現(xiàn)了對(duì)GSM 900/GSM 1800、北斗B1、S頻段以及WLAN頻段的全覆蓋。該天線具有體積小、結(jié)構(gòu)簡(jiǎn)單、易于制作、輻射特性良好的優(yōu)點(diǎn),能夠較好地應(yīng)用于現(xiàn)代無線通信系統(tǒng)。

低剖面;三頻;寬帶;陷波特性;微帶天線

0 引 言

近年來,隨著無線通信的迅速發(fā)展,各類天線也受到越來越多的關(guān)注。其中,單極子微帶貼片天線具有成本低、制作簡(jiǎn)便以及易于集成化等優(yōu)點(diǎn),因此被廣泛應(yīng)用于各種無線通信系統(tǒng)。

目前,大多數(shù)無線通信產(chǎn)品中加入多個(gè)天線以達(dá)到多頻段工作實(shí)現(xiàn)功能的多樣化,這樣必然導(dǎo)致天線工作的空間不足。而足夠的空間是天線正常工作所必備的條件之一,因此單一天線的低剖面、多頻段工作成為了必然選擇?，F(xiàn)已有多種結(jié)構(gòu)天線用來實(shí)現(xiàn)低剖面[1-3],例如文獻(xiàn)[1]通過H形接地面和曲柄形饋電結(jié)構(gòu)的微帶天線,實(shí)現(xiàn)了天線結(jié)構(gòu)的低剖面,但該結(jié)構(gòu)接地面需要H形開口,在實(shí)際應(yīng)用中要求離物理地面有一定的高度。同時(shí),對(duì)多頻化的研究也在不斷地進(jìn)行[4-7],例如文獻(xiàn)[4]通過在矩形輻射元周圍加載多個(gè)金屬環(huán)并采用微帶線進(jìn)行非接觸耦合饋電的方法,有效地實(shí)現(xiàn)了多頻段設(shè)計(jì),但在工作頻帶內(nèi)帶寬都比較窄。因此有學(xué)者提出了新型的多頻段天線[8-10],例如文獻(xiàn)[8]采用增加寄生諧振單元的方法,既有效地減小了天線尺寸,又保證了多頻段天線的帶寬。

綜上可知,目前利用單個(gè)低剖面輻射元實(shí)現(xiàn)多頻段且保證帶寬的天線設(shè)計(jì)方法的相關(guān)研究較少。本文在已有研究的基礎(chǔ)上,提出并設(shè)計(jì)了一種新型的低剖面三頻寬帶微帶天線,天線各性能均能滿足應(yīng)用需求。

1 天線結(jié)構(gòu)

本文微帶天線設(shè)計(jì)主要考慮因素包括阻抗帶寬、多頻段、天線尺寸以及輻射場(chǎng)方向圖。

一般的矩形微帶貼片天線由輻射元、介質(zhì)層以及參考地板3部分組成。其縱向尺度約為1/2工作波長(zhǎng)時(shí),在對(duì)應(yīng)頻點(diǎn)上輻射元表面電流同向分布,在輻射元法向有最大輻射電場(chǎng)產(chǎn)生諧振輻射。但此時(shí)只能產(chǎn)生單一的諧振頻點(diǎn),如果不做結(jié)構(gòu)上的調(diào)整,那么無法在單天線下實(shí)現(xiàn)多頻段的工作特性。

本文提出的單極子三頻微帶天線如圖1所示。

圖1 天線模型及幾何參數(shù)

該天線采用50 Ω微帶線位于貼片的中點(diǎn)處饋電,天線輻射單元主要由雙G型結(jié)構(gòu)和U型陷波結(jié)構(gòu)構(gòu)成,并且印刷在相對(duì)介電常數(shù)為4.4、損耗角正切值為0.02、尺寸大小為58 mm×69 mm×1 mm的FR4-epoxy基板上,上、下兩面的敷銅層厚度為0.035 mm。利用曲流技術(shù)在原始矩形貼片上對(duì)稱產(chǎn)生雙G型結(jié)構(gòu),即把原單個(gè)輻射元增加了電尺寸長(zhǎng)度,并進(jìn)行彎曲產(chǎn)生多個(gè)諧振頻點(diǎn)，因此能滿足多頻段的工作要求。

由于矩形微帶天線的單諧振頻點(diǎn)的阻抗帶寬相對(duì)較窄,考慮到實(shí)際通信系統(tǒng)環(huán)境多徑效應(yīng)的影響,對(duì)天線極化純度要求不高。在矩形貼片的4個(gè)邊角采用對(duì)稱的切角結(jié)構(gòu)產(chǎn)生極化稍有差異的雙諧振特性,以提高小尺寸微帶天線的阻抗帶寬。為了使在GSM 1800和WLAN頻帶之間的頻譜資源不對(duì)工作頻帶內(nèi)的信息產(chǎn)生干擾,提高天線工作的隔離度,實(shí)現(xiàn)特定頻段內(nèi)的工作目的,貼片的中部利用開槽技術(shù)蝕刻出U型槽以實(shí)現(xiàn)陷波功能。

天線輻射單元整體呈正方形,微帶饋線位于輻射單元寬邊中心，天線結(jié)構(gòu)緊湊、易于制作。通過電磁仿真軟件HFSS優(yōu)化后的參數(shù)見表1所列。其中,天線的厚度h=1.0 mm;地板的長(zhǎng)、寬分別為L(zhǎng)7、W0;微帶饋電的長(zhǎng)、寬分別為L(zhǎng)1、W1;天線整體的長(zhǎng)、寬分別為L(zhǎng)0、W0。

表1 天線的結(jié)構(gòu)參數(shù) mm

2 仿真結(jié)果分析

2.1 S11曲線分析

天線阻抗特性曲線的仿真結(jié)果如圖2所示。

圖2 天線的S11曲線

由圖2可以看出,天線在S11≤-10 dB (S11為天線的回波損耗)的工作頻帶范圍為861～964 MHz、1.53～1.99 GHz、2.2～2.64 GHz,實(shí)現(xiàn)了對(duì)GSM 900/GSM 1800、北斗B1、S頻段以及WLAN頻段的全覆蓋。絕對(duì)帶寬分別為103、460、440 MHz;相對(duì)帶寬分別為11.4%、26.7%、18.3%。在工作頻段內(nèi),其中心頻率為0.90、1.72、2.40 GHz。按此頻率并考慮基板的介電常數(shù)影響,基板相對(duì)厚度約為0.013λd(λd為基板中介質(zhì)波長(zhǎng)),屬于薄基板,實(shí)現(xiàn)了低剖面。與相對(duì)帶寬不超過3%的傳統(tǒng)微帶天線相比,本文天線實(shí)現(xiàn)了寬帶化。

由圖2可知,天線的第1個(gè)諧振頻點(diǎn)由對(duì)稱的雙G型結(jié)構(gòu)以及貼片中間部位輻射單元產(chǎn)生;第2個(gè)諧振頻點(diǎn)由雙G型靠近邊緣的小對(duì)稱切角貼片輻射單元產(chǎn)生;第3個(gè)諧振頻點(diǎn)由靠近饋線的大對(duì)稱切角貼片輻射單元產(chǎn)生。該天線輻射原理簡(jiǎn)單,有效地實(shí)現(xiàn)了天線的多頻段特性,并且實(shí)現(xiàn)了結(jié)構(gòu)上的簡(jiǎn)化。

2.2 參數(shù)分析

為了更好地分析天線的輻射特性,本文給出了具有代表性的參數(shù)W1、h、W8對(duì)S11的影響。

參數(shù)W1對(duì)S11曲線的影響如圖3所示。饋線的寬度決定了微帶天線的阻抗匹配,圖3表現(xiàn)了不同寬度對(duì)天線回波損耗的的影響。隨著饋線寬度W1逐漸變寬,天線的3個(gè)諧振中心頻率均向下偏移,而高頻段的回波損耗逐漸降低。這是由于微帶線的特征阻抗變化的結(jié)果,其計(jì)算公式近似為:

0.667ln(ω/h+1.444)]}

其中，ω為中心數(shù)率對(duì)應(yīng)的解頻率。

當(dāng)W1增加時(shí),微帶線的特性阻抗隨之減小,造成與微帶天線的阻抗失配。當(dāng)W1=2 mm時(shí)，天線在3個(gè)工作頻段范圍內(nèi)性能達(dá)到最優(yōu)。同時(shí)驗(yàn)證了在介電常數(shù)為4.4～4.5時(shí),50 Ω的微帶線寬度為2h左右。

圖3 參數(shù)W1對(duì)S11曲線的影響

參數(shù)h對(duì)S11曲線的影響如圖4所示。由圖4可以看出,隨著介質(zhì)基板厚度的增加,中頻段的諧振中心頻率隨之增加,低頻段和高頻段卻呈現(xiàn)相反的特性,中心頻率隨之下降?？紤]到諧振中心頻率,取h=1 mm，此時(shí)諧振頻率為最佳。

圖4 參數(shù)h對(duì)S11的影響

參數(shù)W8對(duì)S11曲線的影響如圖5所示。由圖5可以看出，隨著W8長(zhǎng)度的增加,天線的低頻段和高頻段諧振中心頻率也隨之增加。其中在高頻工作頻段內(nèi)呈現(xiàn)雙諧振特性,這是由于對(duì)稱切角產(chǎn)生了2個(gè)不同長(zhǎng)度的電流路徑,即形成了2個(gè)諧振頻點(diǎn)并且存在簡(jiǎn)并現(xiàn)象。當(dāng)W8增加時(shí),2個(gè)諧振頻點(diǎn)的電流路徑不斷地逼近,諧振頻率也相互靠攏,形成了如W8=14 mm時(shí)看似單諧振的情況。在兼顧考慮阻抗帶寬以及諧振中心頻率的情況下,取W8=12 mm，此時(shí)天線的性能達(dá)到最優(yōu)。

圖5 參數(shù)W8對(duì)S11曲線的影響

2.3 陷波特性分析

為了使天線在特定的頻段內(nèi)工作而不受其他頻段信號(hào)的干擾,本文所設(shè)計(jì)的單極子微帶天線采用了陷波結(jié)構(gòu),使頻率在2.1 GHz附近被隔離。有U型陷波結(jié)構(gòu)、無U型陷波結(jié)構(gòu)以及U型槽不同長(zhǎng)度的S11曲線對(duì)比如圖6所示。

圖6 U型陷波結(jié)構(gòu)對(duì)S11的影響

由圖6可知,在沒有U型陷波結(jié)構(gòu)時(shí)，S11≤-10 dB的帶寬為1.53～2.50 GHz,使得天線在不需要的頻段內(nèi)接收信號(hào),造成了對(duì)有用信號(hào)的干擾;加入U(xiǎn)型陷波結(jié)構(gòu)后,隨著U型縫隙尺寸的增加,陷波中心頻率隨之下偏,原因是U型縫隙的長(zhǎng)度L為目標(biāo)陷波中心頻率對(duì)應(yīng)波長(zhǎng)的1/2。

根據(jù)天線的結(jié)構(gòu)圖和尺寸可得:

(1)

其中,λeff為天線U型陷波的波長(zhǎng),其表達(dá)式為:

(2)

其中，εeff為介質(zhì)基板的階電常數(shù)。

由此可得U型縫隙的長(zhǎng)度估算公式為:

(3)

因此,縫隙長(zhǎng)度L越大,其陷波中心頻率越低。當(dāng)L=21 mm時(shí),天線各性能達(dá)到最好。

2.4 天線的輻射特性

天線在諧振中心頻率為0.90、1.72、2.40 GHz的E面(yoz面)和H面(xoz面)方向的仿真結(jié)果如圖7所示。由圖7可以看出,在諧振中心頻率上,仿真的最大增益分別為1.08、2.02、3.47 dBi。其中,在E面呈現(xiàn)“8”字型,在H面近似呈現(xiàn)全向型,說明該天線呈現(xiàn)單極子天線的輻射特性,輻射性能良好。

圖7 天線的輻射方向

3 結(jié) 論

針對(duì)目前單天線實(shí)現(xiàn)多頻段工作的應(yīng)用要求,本文設(shè)計(jì)了低剖面三頻微帶天線。采用微帶線在其寬邊中心饋電,輻射元尺寸為38 mm×38 mm×1 mm,真正實(shí)現(xiàn)了低剖面,并且避免了在實(shí)際應(yīng)用中要求離物理地面有一定高度的需求。通過在原始貼片上采用曲流技術(shù)和U型陷波結(jié)構(gòu)實(shí)現(xiàn)了單天線的多頻輻射特性。HFSS的仿真結(jié)果表明,天線的工作頻段為861～964 MHz、1.53～1.99 GHz、2.2～2.64 GHz,能夠很好地滿足GSM 900/GSM 1800、北斗B1、S頻段以及WLAN工作頻段范圍的要求。并且各工作頻段的相對(duì)阻抗帶寬均超過傳統(tǒng)微帶天線3%的相對(duì)阻抗帶寬,實(shí)現(xiàn)了寬帶化。通過對(duì)天線的回波損耗、參數(shù)分析和輻射方向圖等研究可知,該天線結(jié)構(gòu)簡(jiǎn)單緊湊、低剖面、輻射特性良好,非常適用于無線通信系統(tǒng)的應(yīng)用。

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(責(zé)任編輯 胡亞敏)

Design of novel low-profile microstrip antenna with tri-band

YANG Kerong, YANG Mingwu, ZHANG Qingchun, ZHANG Zuhua

(School of Electronic Science and Applied Physics, Hefei University of Technology, Hefei 230009, China)

Aiming at the single antenna multi-band operation requirements, a new type of low-profile compact tri-band microstrip patch antenna is proposed and designed. The radiating elements of the antenna are composed of a double G and U-shaped notch structure. The height of the antenna is 1 mm, truly a low profile. The simulation results using Ansoft HFSS software show that its working frequency band is 861-964 MHz, 1.53-1.99 GHz and 2.2-2.64 GHz. The full coverage of GSM 900/GSM 1800, BeiDou B1, S-band and WLAN frequency band is realized. The antenna has small and simple structure as well as good radiation characteristic and it is easy to manufacture, which can be well used in modern wireless communication systems.

low profile; tri-band; broadband; band-notched characteristic; microstrip antenna

2015-10-12；

2015-11-17

國(guó)家自然科學(xué)基金青年科學(xué)基金資助項(xiàng)目(61501159)

楊克榮(1993-),男,安徽六安人,合肥工業(yè)大學(xué)碩士生; 楊明武(1958-),男,安徽滁州人,合肥工業(yè)大學(xué)教授,碩士生導(dǎo)師.

10.3969/j.issn.1003-5060.2017.01.012

TN914

A

1003-5060(2017)01-0063-05