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        小型化雙頻微帶天線設(shè)計(jì)*

        2018-07-09 06:45:16呂明明尹衍莊孫緒保
        通信技術(shù) 2018年6期

        呂明明,尹衍莊,馬 龍,孫緒保

        (山東科技大學(xué) 電子通信與物理學(xué)院,山東 青島 266590)

        0 引 言

        微帶天線的質(zhì)量較輕、體積較小,能夠更加方便地獲得圓極化,實(shí)現(xiàn)雙頻工作功能,所以被廣泛應(yīng)用于無線通信系統(tǒng)[1]。如今,無線通信技術(shù)向著高速、寬帶以及大容量的趨勢(shì)迅速發(fā)展,所以提高系統(tǒng)的通信容量已成為關(guān)鍵。提高系統(tǒng)通信容量的方法之一,是設(shè)計(jì)可以兼容現(xiàn)有的多個(gè)頻段資源的多頻通信系統(tǒng)[2]。因此,在多頻通信系統(tǒng)中,天線的雙頻或多頻工作特性成為眾多學(xué)者的研究方向。各種文獻(xiàn)中也提到了許多使天線獲得多頻工作特性的方法。文獻(xiàn)[3]提出了一種可以應(yīng)用在WLAN系統(tǒng)中的雙頻段貼片天線,通過在貼片上開一個(gè)矩形切口,使天線能夠工作在2.45 GHz和4.96 GHz兩個(gè)頻段上。文獻(xiàn)[4]提出了一種雙頻段PIFA天線,采用同軸探針饋電,在輻射貼片上開三條縫隙改變貼片上原來的電流流向,實(shí)現(xiàn)天線的雙頻段工作,且天線中連接輻射貼片和接地板的短路金屬片能夠增大天線的帶寬[5],但是這種天線結(jié)構(gòu)尺寸較大,達(dá)不到如今天線小型化的需求。文獻(xiàn)[6]設(shè)計(jì)了一種雙頻段貼片天線,在貼片上加載了一個(gè)成十字形狀的槽,減小了天線諧振頻率,增加了天線帶寬,加載兩個(gè)短路針用于天線的小型化和雙頻特性。文獻(xiàn)[7]提出了一種雙頻段MIMO諧振器天線。

        本文提出的天線是對(duì)普通的微帶天線的改進(jìn),通過在貼片上開一個(gè)開口向上的缺口,使貼片形成“凹”字形狀,從而在缺口和主貼片之間產(chǎn)生相互作用,使天線能夠工作在3.8 GHz和4.5 GHz兩個(gè)頻段上,S11達(dá)到了-35 dB和-42 dB,兩個(gè)頻段的帶寬分別為180 MHz(3.72~3.9 GHz)、170 MHz(4.45~4.62 GHz),同時(shí)在饋電探針附近加載短路探針使天線獲得了小型化的優(yōu)點(diǎn)。

        1 天線設(shè)計(jì)

        文章設(shè)計(jì)了一種小型化的雙頻段微帶天線,饋電方式采用同軸線饋電,介質(zhì)基板的材質(zhì)為環(huán)氧樹脂玻璃纖維板(FR4),尺寸大小為30 mm×22 mm×4 mm,介質(zhì)基板上表面為矩形貼片,下表面為接地平面,通過在貼片上開一個(gè)開口向上的矩形缺口改變?cè)瓉碣N片上的電流路徑。電流通過同軸探針到達(dá)貼片的頂部和底部邊緣。由于切口的加載使電流路徑的長(zhǎng)度增加,切口和主貼片之間形成了強(qiáng)烈的相互作用,使天線能夠工作在兩個(gè)頻段。通過加載一個(gè)短路探針的方式,減小了天線貼片的尺寸[8]。HFSS仿真加載探針之后貼片的尺寸,發(fā)現(xiàn)減小了12.3%。

        介質(zhì)基板上貼片的初始長(zhǎng)、寬分別為:

        其中:

        f為中心諧振頻率,c為光速,εe為有效介電常數(shù)。在不加載短路探針的情況下,經(jīng)過公式計(jì)算得出天線貼片的初始長(zhǎng)度為19.26 mm,寬度為26.05 mm。采用同軸線饋電,同軸線的外圈和接地平面相連,內(nèi)芯部分穿過介質(zhì)基板與貼片相連,饋電點(diǎn)的位置坐標(biāo)(Xf,Yf

        )影響天線的阻抗匹配。在貼片上加載一個(gè)開口向上的矩形切口后,切口的長(zhǎng)度和寬度對(duì)天線的諧振頻率有顯著影響,可改變切口的長(zhǎng)和寬獲得需要的工作頻率。為了縮小天線貼片的尺寸,在饋電點(diǎn)附近加一個(gè)短路探針,探針的半徑為r1,位置坐標(biāo)為(Px,Py)。加入短路探針后,在貼片面積減小的同時(shí),也增大了天線的兩個(gè)中心工作頻率。

        天線的結(jié)構(gòu)圖,如圖1所示。通過HFSS仿真軟件對(duì)天線的尺寸進(jìn)行分析得到,H=4 mm,Ls=30 mm,Ws=22 mm,Lp=27.4 mm,Wp=18.4 mm,L1=12.5 mm,W1=11mm,同軸探針的位置坐標(biāo)(Xf,Yf)為(14 mm,9 mm),短路探針的位置坐標(biāo)(Px,Py)為(14 mm,18 mm)。優(yōu)化后的天線可以工作在3.8 GHz和4.5 GHz兩個(gè)頻段上,S11參數(shù)分別為-34 dB和-38 dB,兩個(gè)頻段的輸入阻抗分別為(51-j1) Ω和(50+j1) Ω,說明優(yōu)化后的天線阻抗匹配良好。

        圖1 天線結(jié)構(gòu)圖

        2 仿真結(jié)果與分析

        天線未加載短路探針和加載短路探針的S11曲線圖,如圖2所示。從圖2能夠得到,加載短路探針后,天線的中心工作頻率提高了,低頻頻率由3.4 GHz提高到了3.8 GHz,高頻頻率由4.2 GHz提高到了4.5 GHz,但是天線的S11參數(shù)值并沒有受到較大影響。加載短路探針前后,天線的S11值都在-30 dB以下,說明天線的阻抗匹配良好。未加載短路探針之前,輻射貼片的尺寸為27.4 mm×18.4 mm;加載短路探針后,輻射貼片的尺寸為26 mm×17 mm??梢姡椛滟N片的面積減小了12.3%。

        圖2 有無短路探針天線的S11曲線

        該天線中短路探針的位置(Px, Py)對(duì)天線的性能也有顯著影響。固定X軸的坐標(biāo)Px=14 mm不變,研究Y軸坐標(biāo)的改變對(duì)天線性能的影響。經(jīng)HFSS仿真分析得到短路探針的Y軸坐標(biāo)在不同位置下的S11的曲線圖,如圖3所示。從S11曲線圖可以看出,改變短路探針Y軸坐標(biāo)的位置對(duì)天線在4.5 GHz頻率下的S11不會(huì)有太大變化,但是對(duì)3.8 GHz頻率下的S11有較大影響。當(dāng)Py=18 mm時(shí),天線在低頻3.8 GHz和高頻4.5 GHz的S11分別為-35 dB、-42 dB,說明天線的阻抗匹配良好。

        圖3 短路探針在不同位置下的S11曲線

        天線的輻射方向圖如圖4所示(實(shí)線代表xoz面,虛線代表yoz面)。

        圖4 天線的輻射方向圖

        其中,圖4(a)為3.8 GHz頻率下的天線輻射方向圖,圖4(b)為4.5 GHz頻率下的天線輻射方向圖。由輻射方向圖能夠得到低頻3.5 GHz頻率下天線增益的最大值為3.71 dB,高頻4.5 GHz頻率下天線增益的最大值達(dá)到了3.79 dB。

        3 結(jié) 語

        文章設(shè)計(jì)了一種加載短路探針的小型化雙頻微帶天線,在矩形貼片上開一個(gè)開口向上的矩形切口,在同軸探針附近加載一個(gè)短路探針使天線能夠同時(shí)工作在3.8 GHz和4.5 GHz兩個(gè)頻段上。天線在兩個(gè)頻段的S11分別為-35 dB和-42 dB,天線阻抗匹配良好,且在兩個(gè)頻段上天線均具有良好的增益,如在低頻3.8GHz時(shí)的最大增益為3.71 dB,高頻4.5 GHz時(shí)的最大增益為3.79 dB。此外,設(shè)計(jì)的天線加入了短路探針,使天線貼片的面積減小了12.3%。

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