一種容性饋電寬帶微帶天線的設(shè)計(jì)與分析

郭 戈,邵建興

(重慶郵電大學(xué)光電工程學(xué)院,重慶 400065)

1 引 言

隨著無(wú)線通信技術(shù)的迅猛發(fā)展,對(duì)于體積小、頻帶寬的天線需求日益增強(qiáng)。微帶天線具有結(jié)構(gòu)簡(jiǎn)單、低剖面和重量輕等顯著優(yōu)點(diǎn),非常適合應(yīng)用于無(wú)線通信系統(tǒng)。但是,傳統(tǒng)微帶天線的帶寬通常都小于5%,不能達(dá)到現(xiàn)代通信對(duì)于帶寬的需求。此外,傳統(tǒng)微帶天線的諧振長(zhǎng)度接近半波長(zhǎng),使得其體積過(guò)大,也不利于實(shí)際應(yīng)用。通信業(yè)務(wù)的層出不窮也要求單個(gè)天線可以同時(shí)滿足多個(gè)通信標(biāo)準(zhǔn)的要求,從而達(dá)到更好的經(jīng)濟(jì)性。

近年來(lái),出現(xiàn)了很多展寬頻帶和減小微帶天線體積的方法,如:將輻射貼片的一邊接地,在貼片上開槽,輻射貼片與接地板之間使用短路探針和改良的耦合饋電方式等。使用短路面的方法可以有效減小輻射片的體積,但是單一使用這種方法的微帶天線帶寬也只有5%左右[1]。用在輻射貼片上開槽的方法,改變?cè)斜砻骐娏髀窂娇梢赃_(dá)到展寬頻帶的目的[2]。短路探針的使用可以改善輸入阻抗的匹配,從而得到較寬的帶寬[3]。使用改進(jìn)后的耦合饋電方式可以獲得接近30%的帶寬[4]。

本文在繼承傳統(tǒng)微帶天線優(yōu)點(diǎn)的基礎(chǔ)上,設(shè)計(jì)并分析了一種綜合應(yīng)用容性饋電貼片、短路板和短路探針的寬帶微帶天線。該天線的整體尺寸為58mm×51mm×21mm,頻帶范圍為1.6～2.59GHz,同時(shí)覆蓋多個(gè)無(wú)線通信應(yīng)用的工作頻段,如小靈通1880～1930MHz、藍(lán)牙2402～2480MHz、WLAN (Wireless Local Area Network)2400～ 2483MHz、DCS(Digital Cellular Service)1710～1785MHz及1805～ 1880MHz和 PCS(Personal Communications Service)1850～1910MHz及1930～1990MHz,從而提高了實(shí)際應(yīng)用的經(jīng)濟(jì)性。

2 天線設(shè)計(jì)

2.1 天線結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)

在天線的結(jié)構(gòu)方面,容性饋電貼片的引入可以改善同軸饋電帶來(lái)的輸入阻抗的不匹配,短路板和短路探針可有效地展寬頻帶并且減小天線的體積?？紤]以上因素,設(shè)計(jì)出天線的結(jié)構(gòu)如圖1所示。

圖1 天線結(jié)構(gòu)圖Fig.1 Antenna geometry

天線采用單層矩形輻射貼片,在-y方向?qū)⒅鬏椛滟N片短接到接地板,行成一個(gè)垂直于接地板的短路面。短路探針將主輻射貼片與接地板短接起來(lái)。在饋電方式上,同軸饋電銅芯的饋電點(diǎn)選為矩形容性饋電貼片的對(duì)角線交點(diǎn)。容性饋電貼片通過(guò)耦合作用來(lái)激勵(lì)主輻射貼片,并與其共面兩者之間的間隙為D。該天線在主輻射貼片與接地板之間采用泡沫介質(zhì)(相對(duì)介電常數(shù)εr=1,接近于空氣介質(zhì)),不但可以獲得理想的天線帶寬,而且可以固定和支撐主輻射貼片,便于天線的集成和安裝。

2.2 天線尺寸計(jì)算

擬設(shè)計(jì)的天線工作頻段位于300～3500MHz的射頻頻段,設(shè)計(jì)指標(biāo):中心頻率 f0=2GHz;帶寬BW≥30%;回波損耗 S11<-10dB。

應(yīng)用常規(guī)矩形微帶天線的求解公式可以確定主輻射貼片的基本尺寸,以及介質(zhì)基板的厚度H[5]:

式中,L1、W1分別為天線主輻射貼片的長(zhǎng)和寬,c為光速,εe為介質(zhì)等效介電常數(shù),ΔL為天線的伸長(zhǎng)量。當(dāng)天線駐波比 VSRW≤2.0時(shí),微帶天線帶寬(MHz)的經(jīng)驗(yàn)公式可以表示為

在實(shí)際工程應(yīng)用中,當(dāng)接地板寬度滿足:

即可將接地板視為無(wú)限大。

綜合以上各公式可以計(jì)算出天線的尺寸,其中接地板尺寸為:WG×LG=78mm×100mm,其它計(jì)算和優(yōu)化調(diào)整過(guò)的天線尺寸參數(shù)見(jiàn)表1。

表1 設(shè)計(jì)天線的尺寸參數(shù)Table 1 Dimensions of the proposed antenna 單位:mm

3 仿真與分析

采用基于有限元法的Ansoft HFSS高頻仿真軟件對(duì)本文設(shè)計(jì)的天線進(jìn)行仿真。天線的回波損耗仿真結(jié)果如圖2所示,天線的相對(duì)帶寬達(dá)到47.3%(S11<-10dB),頻段為1.6～2.59GHz,實(shí)際工作帶寬接近1GHz。3個(gè)諧振頻率分別位于1.64GHz、1.95GHz和2.41GHz,該天線獲得的寬帶特性歸功于這3個(gè)諧振頻率。

圖2 表1尺寸的天線回波損耗Fig.2 Return loss of the proposed antenna with dimensions in Table1

由于微帶天線貼片上的表面電流分布直接影響到天線的性能,所以為了進(jìn)一步分析該天線的特性,對(duì)該天線在1.8GHz和2.4GHz這兩個(gè)主要工作頻率下、相位均為180°時(shí)的表面電流分布進(jìn)行仿真和分析。如圖3所示,表面電流在短路面上較少分布,主要分布在主輻射貼片上,尤其是集中在容性饋電貼片和短路探針附近。通過(guò)對(duì)比圖3(a)和(b),1.8GHz和2.4GHz兩個(gè)頻率的表面電流分布的灰度及密度可以發(fā)現(xiàn),集中在靠近容性饋電貼片附近的表面電流無(wú)論在強(qiáng)度還是密度方面都沒(méi)有明顯變化,所以容性饋電貼片對(duì)天線在這兩個(gè)頻率性能的影響具有普遍性。而短路探針附近的表面電流變化則明顯得多,尤其是當(dāng)天線工作在2.4GHz時(shí),短路探針附近的表面電流強(qiáng)度明顯高于其它部分,但1.8GHz時(shí)短路探針附近的表面電流相比之下明顯較弱。所以可以預(yù)測(cè):容性饋電貼片至少會(huì)對(duì)天線1.8GHz和2.4GHz兩個(gè)工作頻率的性能造成影響;天線在2.4GHz時(shí),短路探針會(huì)對(duì)天線性能造成影響。

通過(guò)改變LC、WC和D 3個(gè)參數(shù),對(duì)天線進(jìn)行了大量的仿真分析。從圖4中天線回波損耗圖可以看出,不同的容性饋電貼片長(zhǎng)度LC,不是僅會(huì)對(duì)天線在1.8GHz和2.4GHz時(shí)的回波損耗值產(chǎn)生影響,而是對(duì)于天線的整個(gè)頻段的回波損耗都產(chǎn)生影響。分析參數(shù)WC和D對(duì)天線性能影響的仿真結(jié)果也可以得到相同的結(jié)論。這些結(jié)論證明前述第一點(diǎn)表面電流分析預(yù)測(cè)的正確性。

圖3 主輻射貼片和短路面上的表面電流分布Fig.3 Surface current distributions on shorting wall and main part of patch

圖4 改變?nèi)菪责侂娰N片參數(shù)LC的仿真對(duì)比Fig.4 Return loss of the proposed antenna in terms of LC

對(duì)于短路探針對(duì)天線性能的影響,本文選取短接在主輻射貼片與接地板之間大量不同位置短路探針的天線進(jìn)行仿真分析,結(jié)果見(jiàn)表2。從仿真結(jié)果可以看出,通過(guò)調(diào)整短路探針的位置,天線工作在1.8GHz時(shí)輻射方向圖基本不受影響,主瓣方向始終位于-12°～12°這個(gè)較窄的范圍內(nèi),方向性比較穩(wěn)定。而天線工作在2.4GHz時(shí),天線受到短路探針位置調(diào)整的影響,其主瓣方向的區(qū)間為-68°～48°,變化較大。這與前述第二點(diǎn)表面電流分析的預(yù)測(cè)相符。

為保持天線在兩個(gè)工作頻率的輻射方向具有一致性,所以應(yīng)該選取主瓣方向相差較小的短路探針位置。顯然,位置1符合上述要求,因此也將該點(diǎn)的參數(shù)作為優(yōu)化后的參數(shù)列入表1。由圖5所示的該天線(尺寸如表1所示)輻射方向圖,在1.8GHz、1.9GHz和2.4GHz 3個(gè)工作頻率的主瓣方向分別為-12°、-14°和12°,半功率波瓣寬度為 -46°～ 11°、-54°～ 12°和 -1°～ 37°,天線的輻射方向保持較好的一致性。該天線的增益如圖6所示,天線在主要工作頻段(1.7～2GHz和2.4～2.483GHz)的平均增益分別為6.3dB和7.7dB,差值小于3dB。

表2 短路探針在不同位置的方向圖仿真結(jié)果Table 2 The simulated radiation patterns of the proposed antenna with shift of shorting post

圖5 表1尺寸的天線輻射方向圖Fig.5 The radiation patterns of the proposed antenna with dimensions in Table 1

圖6 天線的增益Fig.6 Gain of the proposed antenna

4 結(jié) 論

對(duì)一種綜合運(yùn)用容性饋電貼片、短路面和短路探針的寬帶微帶天線進(jìn)行了設(shè)計(jì)和分析。多種技術(shù)的應(yīng)用不但顯著地拓展了天線的帶寬,而且還有效地減小了天線體積。對(duì)該天線的性能進(jìn)行了詳細(xì)的分析,其中表面電流的分析與仿真結(jié)果相一致,說(shuō)明容性饋電貼片可對(duì)天線整體性能造成影響,而短路探針的位置可對(duì)天線的輻射方向進(jìn)行調(diào)節(jié),以達(dá)到輻射方向的一致性。該天線的寬帶特性可同時(shí)滿足多個(gè)通信標(biāo)準(zhǔn)的應(yīng)用,達(dá)到良好的經(jīng)濟(jì)性。

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