朱 奎, 廖同慶, 左昌余, 周 剛, 趙讀俊

(1.安徽大學(xué) 集成電路學(xué)院,安徽 合肥 230601; 2.安徽慶宇光電科技有限公司,安徽 合肥 230061)

0 引 言

隨著無線通信領(lǐng)域的飛速發(fā)展,對(duì)天線性能的要求也越來越高。目前工作頻段單一的天線已無法滿足實(shí)際場(chǎng)景的應(yīng)用需求,利用單個(gè)天線實(shí)現(xiàn)多種通信模式下的多個(gè)頻段覆蓋,以及在某一平面實(shí)現(xiàn)360°均勻輻射的全向特性在無線通信系統(tǒng)中顯得非常重要[1-2]。

文獻(xiàn)[3]提出一款用于WiFi系統(tǒng)的雙頻全向偶極子天線,通過耦合到偶極子的2根輻射枝節(jié)引入雙頻諧振,實(shí)現(xiàn)工作頻段在2.40～2.50 GHz和5.15～5.85 GHz且具有良好的全向輻射特性;文獻(xiàn)[4]采用共面波導(dǎo)饋電,通過對(duì)稱折疊的長(zhǎng)單極子和短單極子結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)出工作在2.43～2.61 GHz和5.67～5.93 GHz的雙頻全向輻射天線;文獻(xiàn)[5]通過一種改進(jìn)的偶極子結(jié)構(gòu)提出一款高效的雙頻整流天線,該天線工作在0.88～0.94 GHz和2.39～2.54 GHz頻段且全向輻射特性良好。

上述天線雖然具備了雙頻全向輻射特性,但帶寬較窄,尺寸較大,阻抗匹配性能較低,無法滿足露天礦山4G/5G通信的需求。

本文針對(duì)露天礦山車載終端需要同時(shí)滿足4G/5G且全向通信的特點(diǎn),設(shè)計(jì)出一款基于山字型結(jié)構(gòu)的雙頻全向印刷偶極子天線。采用多分支和縫隙開槽技術(shù)引入新的諧振點(diǎn)并增大帶寬,對(duì)兩側(cè)的枝節(jié)末端進(jìn)行漸變處理,使天線在較寬的頻帶內(nèi)獲得良好的阻抗匹配,以期滿足露天礦山車載終端與基站之間的通信,保證數(shù)據(jù)的快速傳輸。

1 天線設(shè)計(jì)

1.1 天線結(jié)構(gòu)分析

天線結(jié)構(gòu)如圖1所示。

圖1 天線結(jié)構(gòu)

天線的整體結(jié)構(gòu)為山字型,輻射貼片的材料為銅,全部印刷在介質(zhì)基板的上表面,介質(zhì)基板的材料為介電常數(shù)等于4.4的FR4,正切損耗角為0.02,整體尺寸為14 mm×60 mm×1 mm。天線中間輻射貼片結(jié)構(gòu)參考雙錐天線模型,設(shè)計(jì)成倒三角結(jié)構(gòu),實(shí)現(xiàn)覆蓋的頻段為2.30～2.70 GHz,通過在倒三角輻射貼片上開L形縫隙和矩形縫隙實(shí)現(xiàn)寬帶和諧振頻點(diǎn)的偏移[6]。在中間輻射貼片的兩側(cè)增加對(duì)稱枝節(jié)形成山字型結(jié)構(gòu),使天線的諧振頻率實(shí)現(xiàn)4.80～4.90 GHz頻段的覆蓋,其中對(duì)稱枝節(jié)的兩臂向上傾斜設(shè)計(jì),實(shí)現(xiàn)了較寬的帶寬及良好的阻抗匹配[7]。山字型輻射貼片的中間以及兩臂的頂端都采用漸變結(jié)構(gòu)的設(shè)計(jì),結(jié)構(gòu)漸變性使得天線從一個(gè)頻率諧振模式平緩地過渡到另一個(gè)頻率諧振模式,確保在較寬的頻帶內(nèi)獲得良好的阻抗匹配。

采用HFSS15.0軟件對(duì)天線的結(jié)構(gòu)及尺寸進(jìn)行仿真與優(yōu)化,最終確定的尺寸見表1所列。

表1 天線結(jié)構(gòu)尺寸

1.2 天線設(shè)計(jì)思路

為了能夠清楚地理解該雙頻段全向偶極子天線的設(shè)計(jì)思路,天線的設(shè)計(jì)過程如圖2所示;圖2中所涉及的參考天線對(duì)應(yīng)的回波損耗S11曲線如圖3所示。因?yàn)殡p錐天線結(jié)構(gòu)是實(shí)現(xiàn)全向特性中最簡(jiǎn)單的結(jié)構(gòu)之一,所以參考雙錐天線結(jié)構(gòu),設(shè)計(jì)出天線1。天線1的S11只在2.52 GHz附近產(chǎn)生單個(gè)諧振頻點(diǎn),并不滿足雙頻段設(shè)計(jì)需求。為了實(shí)現(xiàn)雙頻諧振,需要在4.85 GHz附近出現(xiàn)新的諧振點(diǎn),因而在天線1的左側(cè)引入輻射枝節(jié),設(shè)計(jì)出天線2。

圖2 天線設(shè)計(jì)過程

圖3 設(shè)計(jì)過程中參考天線對(duì)應(yīng)的S11

仿真結(jié)果顯示,天線2在4.60 GHz附近產(chǎn)生新的諧振點(diǎn),但是帶寬太窄,未能覆蓋所需頻段。進(jìn)一步在天線2的右側(cè)引入對(duì)稱的輻射枝節(jié),目的是使2個(gè)對(duì)稱枝節(jié)引起的諧振頻率相互靠近來拓展帶寬,設(shè)計(jì)出天線3。天線3的S11小于-10 dB的頻段覆蓋范圍完全滿足設(shè)計(jì)需求,但阻抗匹配的性能及中心頻率點(diǎn)所在位置并不是很理想。

在倒三角輻射貼片的頂部邊沿處引入L形和矩形縫隙,增加天線表面電流路徑,使天線中心諧振頻點(diǎn)向低頻移動(dòng),設(shè)計(jì)出天線4。天線4仿真結(jié)果顯示天線高頻段的諧振頻點(diǎn)在4.85 GHz附近,完全滿足設(shè)計(jì)需求。

2 參數(shù)分析

在天線的設(shè)計(jì)過程中,若了解天線結(jié)構(gòu)參數(shù)變化對(duì)天線性能的影響規(guī)律,則可以幫助有效快速完成天線設(shè)計(jì)。下面對(duì)天線的一些重要參數(shù)進(jìn)行分析[8-9]。

1) 中間枝節(jié)L1長(zhǎng)度對(duì)天線S11的影響。保持其他參數(shù)不變,將L1的長(zhǎng)度依次增加及減少0.7 mm,得到回波損耗S11隨頻率的變化曲線如圖4所示。

圖4 L1變化對(duì)S11的影響

從圖4可以看出,對(duì)諧振點(diǎn)f1來說,隨著L1長(zhǎng)度的增加,電流路徑的長(zhǎng)度增加,f1向低頻方向移動(dòng),同時(shí)改善了阻抗匹配的性能,S11的值減小;對(duì)諧振點(diǎn)f2來說,L1長(zhǎng)度的增加,f2位置未發(fā)生明顯變化,卻導(dǎo)致阻抗匹配性能變差,S11的值在逐漸增加。

因此L1的長(zhǎng)度并不是越大越好。結(jié)合低頻諧振點(diǎn)f1、高頻諧振點(diǎn)f2的變化特點(diǎn),最終選擇L1=20.2 mm。

2) 兩側(cè)枝節(jié)L2長(zhǎng)度對(duì)天線S11的影響。首先將兩側(cè)枝節(jié)長(zhǎng)度L2作為掃描參數(shù),其尺寸依次增加1 mm和減小1 mm;然后利用仿真軟件進(jìn)行掃描分析;最后得到S11隨頻率的變化曲線如圖5所示。

圖5 L2變化對(duì)S11的影響

從圖5可以看出,隨著L2長(zhǎng)度增加,諧振點(diǎn)f2向低頻方向偏移,且阻抗匹配性能增強(qiáng),因此諧振點(diǎn)變深。

這是由于天線的諧振長(zhǎng)度與諧振頻點(diǎn)呈反比例關(guān)系,L2的變化主要影響高頻諧振頻率,使f2向低頻方向移動(dòng),諧振點(diǎn)f1隨著L2長(zhǎng)度的增加沒有表現(xiàn)出明顯的變化。最終兩側(cè)枝節(jié)L2的長(zhǎng)度為10.1 mm。

3) L形縫隙和矩形縫隙的寬度w對(duì)天線S11的影響。因?yàn)榭p隙長(zhǎng)度L3的變化基本不影響等效電流的長(zhǎng)度,所以不會(huì)引起天線性能明顯改變,因而將縫隙寬度w作為分析的對(duì)象,依次對(duì)其加、減0.7 mm,得到S11隨頻率的變化曲線如圖6所示。

圖6 w變化對(duì)S11的影響

從圖6可以看出,隨著w長(zhǎng)度增加,低頻諧振點(diǎn)f1和高頻諧振點(diǎn)f2都向低頻方向移動(dòng),f1所對(duì)應(yīng)的S11變化很小,而f2所對(duì)應(yīng)的S11明顯變小,阻抗匹配性能逐漸提高。最終L形縫隙和矩形縫隙w選擇的尺寸為0.8 mm。

3 仿真與測(cè)試

加工的天線實(shí)物如圖7所示,輻射貼片表面進(jìn)行了沉金工藝處理。

圖7 天線實(shí)物

下面對(duì)天線的電參數(shù)和輻射參數(shù)進(jìn)行測(cè)試與分析。

天線仿真與測(cè)試的S11曲線如圖8所示。從圖8可以看出,在低頻段,天線的S11小于-10 dB所覆蓋的帶寬為2.12～2.80 GHz,實(shí)現(xiàn)覆蓋4G頻段的2.32～2.37 GHz以及5G頻段的2.515～2.675 GHz;在高頻段,天線的S11小于-10 dB所覆蓋的帶寬為4.53～5.55 GHz,覆蓋5G頻段的帶寬為4.80～4.90 GHz。測(cè)試結(jié)果和仿真結(jié)果在趨勢(shì)上基本吻合。

圖8 天線仿真與測(cè)試的S11曲線

從圖8還可以看出,仿真與測(cè)試結(jié)果之間存在著一定差異,高頻段帶寬偏窄及天線整體阻抗匹配性能較弱,其原因主要如下:

1) 加工制造過程中存在不可避免的誤差。

2) 實(shí)際使用介質(zhì)基板的介電常數(shù)與仿真使用的介電常數(shù)有所偏差。

3) 饋電同軸頭的損耗及測(cè)試誤差的影響。

為了驗(yàn)證該天線在其工作頻率內(nèi)具有較好的全向輻射特性,在天線諧振的低頻段、高頻段分別選取2.52、4.85 GHz 2個(gè)諧振點(diǎn)在微波暗室里對(duì)該天線的遠(yuǎn)場(chǎng)輻射參數(shù)進(jìn)行測(cè)試,并繪制仿真與測(cè)試的歸一化輻射方向圖,如圖9所示。

圖9 仿真與測(cè)試的天線輻射方向

從圖9可以看出,2.52 GHz頻點(diǎn)的XOZ面輻射方向顯示為準(zhǔn)8字形,4.85 GHz頻點(diǎn)的XOZ面輻射方向存在一些失真,所有頻點(diǎn)的XOY平面圖案都呈現(xiàn)準(zhǔn)圓形。上述輻射特性說明,該天線在整個(gè)工作頻帶上展現(xiàn)出良好的全向輻射特性,符合設(shè)計(jì)要求。

4 結(jié) 論

本文了設(shè)計(jì)一款整體結(jié)構(gòu)為山字型的滿足露天礦山車載終端通信天線。基于雙錐天線結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)出工作在低頻段的全向偶極子單頻天線,采用多分支技術(shù)和縫隙開槽技術(shù)引入新的諧振點(diǎn)并增大帶寬。經(jīng)優(yōu)化設(shè)計(jì)、加工和測(cè)試,最終該全向天線的帶寬覆蓋為2.12～2.80 GHz和4.53～5.50 GHz頻段,完全滿足露天礦山車載通信終端天線的要求。