用于ISM/UNNI頻段的新型雙頻單極子天線設(shè)計(jì)

(空軍工程大學(xué) 導(dǎo)彈學(xué)院,陜西 三原 713800)

1 引 言

隨著無(wú)線通信技術(shù)的發(fā)展，無(wú)線局域網(wǎng)的便攜式移動(dòng)終端逐漸成為各種商務(wù)應(yīng)用的主體。在眾多的無(wú)線協(xié)議中，藍(lán)牙技術(shù)和Home RF已占據(jù)了重要的地位，這主要得益于它們工作于無(wú)需申請(qǐng)的、全球通用的工業(yè)、科學(xué)和醫(yī)療(Industrial Scientific and Medical，ISM)頻段(2 400～2 483.5 MHz)；但該頻段只有83.5 MHz帶寬，限制了數(shù)據(jù)傳輸速度。為了滿足室內(nèi)和短距離通信需要，IEEE 802.11a和HiperLan建議使用帶寬為200 MHz、頻帶范圍為5.15～5.35 GHz的UNNI(Unlicensed National Information Infrastructure)頻段[1]。因此，設(shè)計(jì)出工作在ISM和UNNI頻帶的雙頻天線具有重要的實(shí)用價(jià)值。

近年來(lái)，微帶天線由于其重量輕、剖面低、易于與其它電路集成而受到廣泛的關(guān)注和研究。一般地，實(shí)現(xiàn)多頻工作的方式可以概括為多模正交[2]、多層貼片[3]、阻抗加載[4]3種。多模正交天線可在不同的頻率上激勵(lì)起相互正交的諧振模，有利于與單一的饋電結(jié)構(gòu)同時(shí)匹配[5]，但是其頻率比常常受到基片尺寸的限制。多層貼片天線一般是利用低頻工作的輻射單元作為高頻工作輻射單元的地面[5]，雖然增益較高但是由于上下層貼片之間的強(qiáng)烈耦合，分析和設(shè)計(jì)起來(lái)往往比較麻煩，且僅適用于小頻率比工作。

平面單極子天線近年來(lái)倍受廣大天線工作者關(guān)注，文獻(xiàn)[6]提出了一種工作在2.4 GHz ISM頻段的T型單極子天線，分析了天線尺寸對(duì)天線性能的影響并制作出相對(duì)帶寬為16.33%的天線模型。本文在其基礎(chǔ)上加載了一條水平輻射臂，根據(jù)自相似理論[7，8]，新添加的水平臂與垂直臂組成自相似的T型輻射帶，引入新的工作頻率，并且電特性應(yīng)與原始工作頻率相似。利用商業(yè)仿真軟件Ansoft HFSS對(duì)加載后的天線端口回波損耗進(jìn)行了仿真計(jì)算。在分析天線諧振頻率隨結(jié)構(gòu)參數(shù)變化關(guān)系的基礎(chǔ)上，制作了同時(shí)工作于ISM和UNNI頻段的天線實(shí)物，理論和實(shí)測(cè)結(jié)果吻合良好，符合工程實(shí)際應(yīng)用。仿真和實(shí)測(cè)結(jié)果表明，該天線頻率比在1.67～2.67范圍內(nèi)可調(diào)，兩個(gè)工作頻率的電特性保持一致。

2 天線結(jié)構(gòu)與設(shè)計(jì)

圖1(a)為文獻(xiàn)[5]所提的T型單極子天線結(jié)構(gòu)，本文天線結(jié)構(gòu)如圖1(b)所示，整個(gè)天線單元單面印制在介電常數(shù)εr=4.3、厚度h=1 mm、介質(zhì)損耗角正切tanδ=0.002的環(huán)氧玻璃布板上，基板面積為34.9 mm×28 mm，天線由50 Ω無(wú)地共面波導(dǎo)(UG-CPW)直接饋電，W=5.8 mm,g=0.4 mm。圖中深色部分為金屬，淺色部分為介質(zhì)。ds用來(lái)調(diào)節(jié)阻抗匹配，Wh1、Wh2、Wv的變化不影響工作頻率[5]，取Wh1=Wh2=Wv=4 mm,兩個(gè)水平臂的長(zhǎng)度和到饋電端距離是影響工作頻率的重要參數(shù)[5]。因此，本文將重點(diǎn)就Lh1、Lh2、Lv1、Lv2的變化對(duì)頻率的影響展開討論和分析。為了便于與文獻(xiàn)[5]比較，取Lv1=19.9 mm，那么對(duì)于Lv2的變化可以用一個(gè)參數(shù)dL來(lái)描述，dL表示加載的水平臂到原始水平臂的垂直距離，這樣就簡(jiǎn)化成考察工作頻率隨Lh1、Lh2、dL變化的關(guān)系。

(1)當(dāng)Lh1=Lh2=7.6 mm時(shí)，S11隨dL變化的關(guān)系如圖2所示，說(shuō)明隨著dL的增加，高端頻率逐漸下降，低端工作頻率不受其影響，頻率比稍有下降。

(a)文獻(xiàn)[5]提出的天線結(jié)構(gòu)

(b)本文天線結(jié)構(gòu)

圖2 S11隨dL變化的關(guān)系Fig.2 S11 as dL′s change

(2)當(dāng)Lh1=7.6 mm、dL=8 mm時(shí)，S11隨Lh2變化的關(guān)系如圖3所示，說(shuō)明隨著Lh2的增加，高端頻率逐漸下降，低端工作頻率不受其影響，頻率比下降明顯。

圖3 S11隨Lh2變化的關(guān)系Fig.3 S11 as Lh2′s change

(3)當(dāng)Lh2=7.6 mm、dL=8 mm時(shí)，S11隨Lh1變化的關(guān)系如圖4所示，說(shuō)明隨著Lh1的增加，高端和低端工作頻率同時(shí)下降，且下降幅度保持一致，頻率比隨之上升。

圖4 S11隨Lh1變化的關(guān)系Fig.4 S11 as Lh1′s change

3 天線制作與測(cè)量

制作了同時(shí)工作于ISM/UNNI頻段的天線實(shí)物模型，天線部分尺寸為：Lh1=17.4 mm，Lh2=14.4 mm，Lv1=23.8 mm，Lv2=14.8 mm，ds=0.8 mm，Gw=9.2 mm，Gl=10.7 mm。實(shí)物照片如圖5所示，回波損耗S11的測(cè)試結(jié)果與仿真結(jié)果比較如圖6所示，方向圖測(cè)試結(jié)果如圖7和圖8所示。

圖5 ISM/UNNI雙頻天線實(shí)物照片F(xiàn)ig.5 Photograph of ISM/UNNI dual-band antenna

圖6 S11仿真結(jié)果與測(cè)試結(jié)果比較Fig.6 Measured and simulation results of S11

(a)φ=90°

(b)φ=0°圖7 2.4 GHz時(shí)天線方向圖Fig.7 Measured results of radiation patterns at 2.4 GHz

(a)φ=90°

(b)φ=0°圖8 5.2 GHz時(shí)天線遠(yuǎn)場(chǎng)方向圖Fig.8 Measured results of far field radiation patterns at 5.2 GHz

由圖6可知，天線回波損耗的仿真結(jié)果和測(cè)試結(jié)果基本吻合，測(cè)試結(jié)果的兩個(gè)工作頻點(diǎn)均向高端有大約30 MHz的偏移，應(yīng)是加工不精確和焊接影響造成的。由圖7和圖8可知，天線在兩個(gè)頻點(diǎn)上的方向圖基本一致，最大輻射方向均位于0°和180°方向，保持了傳統(tǒng)單極子天線的輻射特性，說(shuō)明了該雙頻天線具有良好的應(yīng)用空間。

4 結(jié)束語(yǔ)

本文提出了一種由無(wú)地共面波導(dǎo)(UG-CPW)饋電的新型雙頻天線，研究了天線尺寸對(duì)工作頻率的影響，制作了一種應(yīng)用于ISM/UNNI雙頻工作的天線實(shí)物模型，測(cè)試結(jié)果與仿真結(jié)果吻合良好，在保持傳統(tǒng)單極子天線輻射性能的基礎(chǔ)上，展寬了低頻段的帶寬，比文獻(xiàn)[5]中天線的相對(duì)帶寬提高了4.95%。該天線結(jié)構(gòu)簡(jiǎn)單、單面印制、便于安裝，且頻率比在1.67～2.67范圍內(nèi)可調(diào)，而文獻(xiàn)[9]提出的H型雙頻天線頻率比僅為1.716～2.363。因此，該天線在雙、多頻領(lǐng)域具有廣闊的應(yīng)用前景。

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