譚立容,楊梓藝,聶佰玲,張照鋒,朱昱穎

(南京信息職業(yè)技術(shù)學(xué)院,南京 210023)

一種新型雙頻全向基片集成波導(dǎo)螺旋縫隙天線*

譚立容,楊梓藝,聶佰玲,張照鋒,朱昱穎

(南京信息職業(yè)技術(shù)學(xué)院,南京 210023)

為了實(shí)現(xiàn)雙頻帶全向天線,將基片集成波導(dǎo)SIW技術(shù)和平面螺旋天線技術(shù)結(jié)合,實(shí)現(xiàn)了一種新型雙頻基片集成波導(dǎo)螺旋縫隙天線。比較了當(dāng)其他條件一樣時(shí)有SIW結(jié)構(gòu)和沒(méi)采用該結(jié)構(gòu)時(shí)的天線增益:在低頻段1.7 GHz～1.87 GHz增益基本一樣,在高頻段2.4 GHz～2.9 GHz有SIW結(jié)構(gòu)時(shí)增益提高了1.1 dB～3.5 dB。仿真和測(cè)試結(jié)果表明,經(jīng)優(yōu)化設(shè)計(jì)后的天線在S11小于-10 dB時(shí)的工作頻帶為1.705 GHz～1.865 GHz和2.321 GHz～2.646 GHz。該天線在垂直于天線基板的平面內(nèi)具有全向特性,具有重量輕、低剖面、高增益、易于和平面電路集成等優(yōu)點(diǎn)。

全向天線;基片集成波導(dǎo);平面螺旋天線;雙頻段

隨著不同標(biāo)準(zhǔn)、不同頻段的無(wú)線通信系統(tǒng)陸續(xù)被人們使用,人們周?chē)嵌喾N無(wú)線通信系統(tǒng)共存,例如,在移動(dòng)通信和無(wú)線局域網(wǎng)絡(luò)同時(shí)覆蓋區(qū)域存在2G3G4GWIFI等不同標(biāo)準(zhǔn)的信號(hào),常常需要雙頻或多頻全向天線來(lái)接收來(lái)自各個(gè)方向的信號(hào)。

目前,國(guó)內(nèi)外不少專家學(xué)者研究了各種各樣的雙頻和多頻天線,來(lái)滿足不同的通信需要。韓國(guó)瑞[1]等人通過(guò)控制MEMS開(kāi)關(guān)來(lái)改變縫隙的尺寸,從而改變電流分布,實(shí)現(xiàn)了雙頻微帶縫隙天線,但該天線實(shí)現(xiàn)的是2.4 GHz和5.8 GHz的快速切換,不是共存的雙頻段;Dian Wang[2]等人通過(guò)將微帶貼片天線和單極子天線巧妙地集成在一起實(shí)現(xiàn)了能覆蓋WiFi(2.4/5.2/5.8 GHz)和WiGig(57 GHz～64 GHz)通信的雙頻段天線;發(fā)明專利[3]“一種CPW饋電雙頻微帶天線”采用將兩個(gè)倒Л型槽以及共面集成波導(dǎo)饋線設(shè)置在介質(zhì)基板的上表面,實(shí)現(xiàn)了可覆蓋WLAN與WIMAX所有工作頻段,但天線不能在所有工作頻段實(shí)現(xiàn)全向輻射,并且增益低;發(fā)明專利[4]“低剖面雙頻帶全向天線”采用在帶接地板介質(zhì)基板的另一側(cè)印刷輻射金屬貼片和圍繞在輻射金屬貼片周?chē)亩鄠€(gè)蘑菇型諧振單元結(jié)構(gòu),實(shí)現(xiàn)了有類似單極子天線的輻射方向圖的兩頻天線,可以工作在3.995 GHz～4.025 GHz和4.94 GHz～6.06 GHz頻段上,還不能滿足接收1.8 GHz、2.4 GHz等不同標(biāo)準(zhǔn)的2G3G4GWIFI信號(hào)的需要;發(fā)明專利[5]“雙頻WIFI全向天線”采用兩個(gè)低頻輻射臂和兩個(gè)高頻輻射臂對(duì)稱設(shè)置于所述平衡微帶線的兩側(cè),實(shí)現(xiàn)了能同時(shí)工作在2.4 GHz～2.5 GHz及5.15 GHz～5.85 GHz的全向天線,還不能同時(shí)接收移動(dòng)通信信號(hào)和無(wú)線局域網(wǎng)信號(hào)。

綜上所述,目前同時(shí)接收移動(dòng)通信信號(hào)和無(wú)線局域網(wǎng)信號(hào)的雙頻帶全向天線較少,對(duì)兼容多標(biāo)準(zhǔn)、多頻段的天線需求顯得愈發(fā)迫切。

針對(duì)目前雙頻天線研究中的問(wèn)題,提出了一個(gè)新的雙頻天線結(jié)構(gòu),它使用了雙層基板結(jié)構(gòu),將基片集成波導(dǎo)技術(shù)和平面螺旋天線技術(shù)結(jié)合來(lái)使天線具有全向、雙頻帶和高增益等特性。對(duì)該天線的實(shí)際測(cè)量表明,仿真結(jié)果和實(shí)驗(yàn)結(jié)果基本一致,具有較好工作性能。

圖1 天線結(jié)構(gòu)示意圖

1 新型雙頻天線結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)與性能

基片集成波導(dǎo)結(jié)構(gòu)和平面螺旋結(jié)構(gòu)在天線研究領(lǐng)域中分別都有廣泛的應(yīng)用。基片集成波導(dǎo)結(jié)構(gòu)[6]由低損耗介質(zhì)基片中的金屬化通孔陣列和基片的上下金屬層構(gòu)成,金屬化通孔的直徑d和相鄰金屬化通孔的間距p需滿足d/p≥0.5且d<0.2λg。基片集成波導(dǎo)天線[7-8]能克服傳統(tǒng)的金屬波導(dǎo)縫隙天線重量重、造價(jià)昂貴、體積大的缺點(diǎn),同時(shí)具有傳統(tǒng)金屬波導(dǎo)縫隙天線高增益、高輻射效率的優(yōu)點(diǎn)。平面螺旋結(jié)構(gòu)[9]主要由兩個(gè)平面螺旋臂構(gòu)成,可以用來(lái)實(shí)現(xiàn)寬頻帶天線或多頻段天線[10]。

本設(shè)計(jì)中將這兩種結(jié)構(gòu)結(jié)合,采用如圖所示依次層疊設(shè)置的雙層基板結(jié)構(gòu):天線上層基板的上表面1設(shè)有饋電微帶線,天線上層基板的下表面2為蝕刻有圓形縫隙的金屬層;天線下層為在下層基板四周有金屬化通孔陣列的基片集成波導(dǎo)腔體,天線下層基板的上表面3為蝕刻有圓形縫隙的金屬層,天線下層基板的下表面4為蝕刻有平面螺旋縫隙的金屬層。

天線上層基板的上表面設(shè)有的微帶線為天線饋電、提供匹配阻抗;圓形縫隙將能量從上層的微帶線耦合到下層;平面螺旋縫隙起對(duì)外輻射電磁波作用,并利用平面螺旋縫隙有效輻射帶可以隨頻率變化而改變這一特性從而實(shí)現(xiàn)雙頻帶天線;下層基板上通過(guò)四周金屬化通孔陣列形成的基片集成波導(dǎo)腔體增強(qiáng)天線增益。

應(yīng)用仿真軟件HFSS對(duì)該雙頻天線進(jìn)行優(yōu)化設(shè)計(jì),確定了該天線的最終尺寸。當(dāng)天線上層基板采用厚度為2.0 mm的寬介電常數(shù)聚四氟乙烯玻璃布覆銅基板,天線下層基板采用厚度為0.5 mm的寬介電常數(shù)聚四氟乙烯玻璃布覆銅基板(這兩層基板的相對(duì)介電常數(shù)εr都為2.2,損耗角正切tanδ為0.001),天線尺寸為:天線上層基板的總長(zhǎng)度L1和總寬度W1分別為78 mm和78 mm,天線下層基板的總長(zhǎng)度和總寬度W1分別為73 mm和78 mm;微帶線的寬度W2和長(zhǎng)度分別為3.3 mm和43.3 mm;金屬通孔的每個(gè)通孔的直徑為3 mm,相鄰兩個(gè)通孔中心的間距為5.4 mm;圓形縫隙的半徑等于22 mm;平面螺旋縫隙最外緣的半徑R0等于26.67 mm。

圖2

圖2(a)給出了該天線的增益隨頻率變化仿真曲線圖,如圖2(a)所示可見(jiàn)采用基片集成波導(dǎo)結(jié)構(gòu)時(shí)天線的最大增益在觀察的頻率范圍內(nèi)可以達(dá)到5.5 dBi。同時(shí),將該天線下層基板所有金屬化通孔陣列(即,基片集成波導(dǎo)結(jié)構(gòu))去掉、讓其他尺寸不變時(shí),得到無(wú)基片集成波導(dǎo)結(jié)構(gòu)(如圖2(b))時(shí)的天線增益隨頻率變化曲線,對(duì)比這兩個(gè)曲線,可見(jiàn)采用通過(guò)四周有金屬化通孔陣列形成的基片集成波導(dǎo)腔體能增強(qiáng)天線增益(尤其在更高的頻段),提高了天線的輻射性能。

2 天線的制備與性能測(cè)試

基于上述優(yōu)化設(shè)計(jì)的天線尺寸,我們?cè)诰鬯姆蚁┎ＡР几层~基板上實(shí)際制備了該雙頻全向基片集成波導(dǎo)螺旋縫隙天線,圖3給出了該雙頻天線實(shí)物的正面和反面。雙頻天線的尺寸大小為78 mm×78 mm。

圖3 實(shí)際制備的天線照片

圖4 天線S11隨頻率變化特性

為了證明制備的天線具有雙頻段的特性,我們采用矢量網(wǎng)絡(luò)分析儀PNA8363測(cè)量了天線的S11參數(shù)。如圖4所示,對(duì)比了該雙頻全向基片集成波導(dǎo)螺旋縫隙天線的反射系數(shù)S11隨頻率變化的仿真曲線和測(cè)量曲線,證明當(dāng)對(duì)應(yīng)的S11小于-10 dB時(shí),該雙頻段縫隙天線能同時(shí)工作在1.705 GHz～1.865 GHz頻段(可以用來(lái)接收或發(fā)射工作頻率處于該頻段的常見(jiàn)移動(dòng)通信信號(hào),如中國(guó)電信的FDD-LTE信號(hào)、中國(guó)移動(dòng)的GSM1800信號(hào)、中國(guó)聯(lián)通的GSM1800信號(hào)等)和2.321 GHz～2.646 GHz頻段(頻率處于該頻段的常見(jiàn)通信信號(hào)有WIFI無(wú)線局域網(wǎng)信號(hào)、WiMAX無(wú)線局域網(wǎng)信號(hào)、中國(guó)電信/移動(dòng)/聯(lián)通的4G信號(hào)等)。

圖5給出了該雙頻全向基片集成波導(dǎo)螺旋縫隙天線在垂直面(垂直于天線的平面)和水平面輻射方向圖,天線在低頻段諧振點(diǎn)在天線垂直面具有全向輻射特性(諧振點(diǎn)頻率為1.84 GHz,測(cè)得對(duì)應(yīng)的增益為4.11 dBi),在高頻段諧振點(diǎn)在天線垂直面同樣具有全向輻射特性(諧振點(diǎn)頻率為2.45 GHz,測(cè)得對(duì)應(yīng)增益為5.01 dBi)。其輻射特性能滿足從四周接收雙頻段移動(dòng)通信和WIFI信號(hào)的需求,適合應(yīng)用需要。

圖5 天線的輻射方向圖

在表1中將我們?cè)O(shè)計(jì)的天線和目前國(guó)內(nèi)外雙頻天線進(jìn)行了比較,可以看到我們提出的雙頻天線其綜合性能優(yōu)于大多數(shù)同類雙頻天線。和大多數(shù)現(xiàn)有雙頻天線相比,它在兩個(gè)工作頻段皆具有增益高、全向輻射的特性,同時(shí)結(jié)構(gòu)簡(jiǎn)單、制作方便。

表1 雙頻天線比較

3 結(jié)論

設(shè)計(jì)并實(shí)現(xiàn)了一種新型雙頻全向天線。區(qū)別于現(xiàn)有常用的微帶天線和單極子天線技術(shù),該雙頻天線由基片集成波導(dǎo)結(jié)構(gòu)和平面螺旋結(jié)構(gòu)結(jié)合而成,通過(guò)采用基片集成波導(dǎo)技術(shù)提高了天線增益,能同時(shí)接收1.8 GHz、2.4 GHz等不同標(biāo)準(zhǔn)的移動(dòng)通信信號(hào)和無(wú)線局域網(wǎng)信號(hào),在垂直于天線基板的平面內(nèi)天線全向性好。

[1] 韓國(guó)瑞,白霞,韓麗萍,等. 基于MEMS開(kāi)關(guān)雙頻微帶縫隙天線的設(shè)計(jì)[J]. 測(cè)試技術(shù)學(xué)報(bào),2016(1):6-9.

[2] Wang D,Chan C H. Multiband Antenna for WiFi and WiGig Communications[J]. IEEE Antennas and Wireless Propagation Letters,2016,15:309-312.

[3] 黃姍姍,沈義進(jìn),李駿,等. 一種CPW饋電雙頻微帶天線[P]. 江蘇:CN105490012A,2016-04-13.

[4] 代喜望,羅國(guó)清,袁博,等. 低剖面雙頻帶全向天線[P]. 浙江:CN105514612A,2016-04-20.

[5] 譚杰洪,陳重. 雙頻WIFI全向天線[P]. 廣東:CN104795630A,2015-07-22.

[6] Bozzi M,Georgiadis A,Wu K. Review of Substrate-Integrated Waveguide Circuits and Antennas[J]. Microwaves,Antennas and Propagation,IET,2011,5(8):909-920.

[7] Cai Y,Qian Z,Zhang Y S,et al. A Compact Wideband SIW-Fed Dielectric Antenna with End-Fire Radiation Pattern[J]. IEEE Transactions on Antennas and Propagation,2016,64(4):1502-1507.

[8] 譚立容,倪瑛,張照鋒,等. 基于半?；刹▽?dǎo)的雙頻段縫隙天線[J]. 電子器件,2014,37(1):5-8.

[9] Shih T,Behdad N. A Compact,Broadband Spiral Antenna with Unidirectional Circularly Polarized Radiation Patterns[J]. IEEE Transactions on Antennas and Propagation,2015,63(6):2776-2781.

[10] 朱珊虹,董衛(wèi)鵬,張琳江. 一種寬帶螺旋天線的設(shè)計(jì)[J]. 電子器件,2015,39(4):742-745.

[11] Buckley J L,McCarthy K G,Loizou L,et al. A Dual-ISM-Band Antenna of Small Size Using a Spiral Structure with Parasitic Element[J]. IEEE Antennas and Wireless Propagation Letters,2016,15:630-633.

[12] Zhu X,Guo Y,Wu W. A Compact Dual-Band Antenna for Wireless Body-Area Network Applications[J]. IEEE Antennas and Wireless Propagation Letters,2016,15:98-101.

[13] Cao W Q,Zhang B N,Liu A J,et al. A Dual-Band Microstrip Antenna with Omnidirectional Circularly Polarized and Unidirectional Linearly Polarized Characteristics Based on Metamaterial Structure[J]. Journal of Electromagnetic Waves and Applications,2012,26(2):274-283.

ANovelDualBandOmnidirectionalSubstrateIntegratedWaveguideSpiralSlotAntenna*

TANLirong,YANGZiyi,NIEBailing,ZHANGZhaofeng,ZHUYuying

(Nanjing College of Information Technology,Nanjing 210023,China)

In order to realize a dual band omnidirectional antenna,a novel dual band substrate integrated waveguide spiral slot antenna is realized by combining of the SIW(Substrate Integrated Waveguide)technology and the planar spiral antenna technology. The gains of the antennas with SIW structure and with no SIW structure are compared under the other same conditions. Their gains are almost same at low frequency band(1.7 GHz～1.87 GHz)and the gain of the antenna with SIW structure is improved by 1.1 dB～3.5 dB at high frequency band(2.4 GHz～2.9 GHz). The results of simulation and test show that the working frequency bands of the antenna are 1.705 GHz～1.865 GHz band and 2.321 GHz～2.646 GHz(S11<-10 dB). The antenna has omnidirectional radiation characteristics in the vertical plane of the antenna substrate,and have the advantages of light weight,low profile,high gain,easy of planar circuit integration.

omnidirectional antenna;substrate integrated waveguide;planar spiral antenna;dual band

10.3969/j.issn.1005-9490.2017.05.008

2016-08-02修改日期2016-09-05

項(xiàng)目來(lái)源:南京信息職業(yè)技術(shù)學(xué)院工程研發(fā)中心開(kāi)放基金項(xiàng)目(KF20160103,KF20150102);2016年江蘇省高校青藍(lán)工程項(xiàng)目;2016年江蘇省高等學(xué)校大學(xué)生創(chuàng)新創(chuàng)業(yè)訓(xùn)練計(jì)劃項(xiàng)目(201613112011Y);2014年度江蘇省高校優(yōu)秀中青年教師和校長(zhǎng)赴境外研修項(xiàng)目;江蘇高校品牌專業(yè)建設(shè)工程項(xiàng)目(PPZY2015C242);2015年度江蘇省信息產(chǎn)業(yè)升級(jí)項(xiàng)目

TN820.11

A

1005-9490(2017)05-1088-04

譚立容(1977-),女,貴州人,南京大學(xué)博士,南京信息職業(yè)技術(shù)學(xué)院副教授和高級(jí)工程師。主要研究領(lǐng)域?yàn)槲⒉ㄆ骷疤炀€的設(shè)計(jì)研究,tanlirong77@163.com;

楊梓藝(1995-),女,四川人,南京信息職業(yè)技術(shù)學(xué)院學(xué)生,主要研究領(lǐng)域?yàn)槲⒉ㄆ骷疤炀€;

聶佰玲(1975-),女,碩士,吉林人,南京信息職業(yè)技術(shù)學(xué)院講師,主要研究領(lǐng)域?yàn)闊o(wú)線通信技術(shù);

張照鋒(1974-),男,河南人,南京信息職業(yè)技術(shù)學(xué)院副教授,主要研究領(lǐng)域?yàn)槲⒉夹g(shù);

朱昱穎(1994-),女,江蘇人,南京信息職業(yè)技術(shù)學(xué)院學(xué)生,主要研究領(lǐng)域?yàn)槲⒉ㄆ骷疤炀€。