小型寬帶微帶天線的設(shè)計(jì)研究*

謝澤會(huì)，王玉琴，郝雙洋，趙紅梅

（1.鄭州輕工業(yè)學(xué)院電氣信息工程學(xué)院 鄭州450002;2.鄭州大學(xué)教育技術(shù)中心 鄭州 450001;3.中國(guó)聯(lián)合網(wǎng)絡(luò)通信有限公司河南分公司 鄭州450045）

1 引言

隨著無(wú)線通信技術(shù)的發(fā)展和電子產(chǎn)品應(yīng)用的普及，對(duì)天線提出了更高的要求，主要體現(xiàn)在頻帶的范圍更廣，體積更小，便于安裝、架設(shè)和攜帶，同時(shí)具有較高的效率。然而，在較低頻段，傳統(tǒng)的半波天線尺寸仍然太大，帶寬仍然太窄（只有0.7%～7%），解決上述問(wèn)題對(duì)于軍事或民用都有著重大的意義，小型化寬帶微帶天線的研究仍是一個(gè)熱點(diǎn)[1]。

微帶天線自20世紀(jì)70年代初期研制成功以來(lái)，以其體積小、重量輕、低剖面、易共形、制造簡(jiǎn)單、成本低、易與微帶線路集成等一系列優(yōu)點(diǎn)，越來(lái)越受到人們的重視，其發(fā)展更趨成熟化，得到了廣泛的應(yīng)用[2,3]。參考文獻(xiàn)[4]設(shè)計(jì)了一種UHF頻段RFID閱讀器的小型化天線，體積為70 mm×50 mm×50 mm，由于諧振頻率為 915 MHz，體積不算太大，但S11<-10 dB時(shí)的阻抗帶寬只有30 MHz，S11為回波損耗，普通微帶天線的阻抗匹配帶寬最高只有10%，因此不能用于寬帶工作。微帶天線中的單極天線不僅具有以上特點(diǎn)，還能夠通過(guò)其結(jié)構(gòu)及貼片形狀等特殊技術(shù)使其具有超寬帶的輻射特性，且能使體積變得更小，因此漸漸成為研究的焦點(diǎn)[5]。

[6]采用了傳統(tǒng)的單極天線結(jié)構(gòu)，該天線具有大約30個(gè)倍頻程的阻抗帶寬和方向圖帶寬，但采用的接地板與輻射體垂直，大小為80 mm×80 mm，體積太大，不易于集成；參考文獻(xiàn)[7]仍采用單極天線模型，且將接地板和輻射體設(shè)計(jì)成共面結(jié)構(gòu)，但輻射單元為矩形，天線的大小為 42 mm×39 mm。

本文設(shè)計(jì)了一款新型的寬帶小型平面天線，該天線將立體圓盤單極天線改為平面結(jié)構(gòu)，中心諧振頻率為7.3 GHz，在3.2 GHz（S11<-10 dB）帶寬內(nèi)很好地實(shí)現(xiàn)了阻抗匹配，且天線尺寸大小僅為17 mm×16 mm，結(jié)構(gòu)簡(jiǎn)單，加工方便，具有較大的實(shí)用價(jià)值。

2 單極天線的理論基礎(chǔ)

傳統(tǒng)單極天線由一塊金屬地板和垂直于金屬地板的輻射體金屬片組成。輻射體金屬片形狀有矩形、圓形、橢圓形、三角形等。由于其是三維結(jié)構(gòu)，不能滿足系統(tǒng)集成化要求，因此有人提出將金屬輻射片和地板結(jié)構(gòu)同時(shí)印刷在電路板上，稱之為平面單極天線，這樣天線的體積得到減小，同時(shí)還可以通過(guò)改變輻射體的形狀和接地板的結(jié)構(gòu)來(lái)改變天線的輻射性能。

分析單極天線的輻射機(jī)理時(shí)一般采用近似等效法，下面以圓形單極子為例進(jìn)行分析。理論上將半徑為R的圓片單極結(jié)構(gòu)近似等效為高為l、半徑為a的短圓柱振子，等效模型如圖1所示。其下限頻率的確定方法如下。

圖1 圓柱體近似法等效

將圓面積等效為短圓柱振子的表面積，將圓片直徑2a等效為圓柱振子的高度 l，即 πR2=2πal，短圓柱振子的高度l與波長(zhǎng)λ的對(duì)應(yīng)關(guān)系為：l=0.24λF，其中考慮饋電間距g，則圓盤單極天線的最低諧振頻率為fL=；如果考慮介質(zhì)材料的影響，則最低諧振頻率最合適的表達(dá)式為，式中k與的性質(zhì)類似，εe為等效介電常數(shù)。

參考文獻(xiàn)[8]提出對(duì)于常用介電常數(shù)εr為4.4、厚度為1.6 mm的FR4介質(zhì)，k的經(jīng)驗(yàn)值是1.15。若設(shè)計(jì)的天線的中心頻率為7.3GHz，饋電間隙為g=1 mm，則R近似為4 mm。

3 天線結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)

圖2 天線結(jié)構(gòu)

該小型寬帶平面單極天線的結(jié)構(gòu)示意如圖2所示。該天線輻射單元采用0.2 mm銅板圓盤結(jié)構(gòu)，銅板延伸出介質(zhì)基片且與介質(zhì)板平行，介質(zhì)基片為相對(duì)介電常數(shù)為4.4、厚度為0.8 mm的FR4介質(zhì)。增大介質(zhì)材料的介電常數(shù)，有利于實(shí)現(xiàn)天線的小型化，但是介電常數(shù)過(guò)大，電場(chǎng)能量將會(huì)更多地集中在介質(zhì)內(nèi)部而難以輻射出去，導(dǎo)致帶寬減小，且高的介質(zhì)常數(shù)往往伴有高的介質(zhì)損耗，這會(huì)降低天線的效率。介質(zhì)基片背部為薄銅板接地板。該天線采用微帶線進(jìn)行饋電，饋線寬度為1 mm。

4 相關(guān)參數(shù)分析

該天線的回波損耗曲線如圖3所示。可以看出，由于介質(zhì)的影響，R=4 mm時(shí)諧振頻率為8.3 GHz，諧振頻率偏高，且f和R成反向變化，通過(guò)分析 R分別取 4 mm、4.3 mm、4.6 mm、4.9 mm、5.2 mm 的情況，顯然 R=4.9 mm及5.2 mm時(shí)，中心諧振頻率最接近7.3 GHz，考慮到天線的小型化需求，取R=5 mm。此時(shí)在6.3～9.5 GHz頻率范圍S11<-10 dB，阻抗匹配帶寬接近3.2 GHz，遠(yuǎn)遠(yuǎn)大于500 MHz。

圖3 R變化時(shí)天線的回波損耗曲線

天線的Smith阻抗圓圖如圖4所示。從圖中可以看出，天線的輸入阻抗與50 Ω的微帶線實(shí)現(xiàn)了匹配，且在R變化的過(guò)程中，最小歸一化值基本沒變化。

天線在制作時(shí)，為了減小尺寸把輻射貼片延伸出介質(zhì)，下面分析增大介質(zhì)對(duì)天線的影響。設(shè)天線基板寬度從5 mm開始逐漸增大，寬度分別為 5 mm、7 mm、9 mm、11 mm時(shí)的回波損耗曲線如圖5所示。可見隨著寬度的增大，諧振頻率點(diǎn)逐漸增大，而且會(huì)引起高頻諧振點(diǎn)。

圖4 Smith阻抗圓圖

由圖 5可以看出，基板寬度分別為 5 mm、7 mm、9 mm、11 mm時(shí)，回?fù)芮€的參數(shù)和形狀變化不大，但天線增益稍有減小，這是因?yàn)榛遄兇笫沟糜懈嚯娏髁魅牖灞换逦?。從小型化角度考慮，應(yīng)選擇較小的基板。

5 結(jié)束語(yǔ)

通過(guò)改變傳統(tǒng)單極子天線的結(jié)構(gòu)，設(shè)計(jì)了一種中心頻率為7.3 GHz的平面天線，分析了相關(guān)參數(shù)對(duì)天線性能的影響，確定整個(gè)天線的尺寸為16 mm×17 mm×1 mm，符合小型化要求，同時(shí)阻抗匹配能達(dá)到3.2 GHz，實(shí)現(xiàn)了寬帶化，且天線結(jié)構(gòu)簡(jiǎn)單，F(xiàn)R4介質(zhì)成本較低，加工方便，有著較好的實(shí)用前景。

圖5 基板寬度變化時(shí)天線的回波損耗曲線

參考文獻(xiàn)

1 阮成禮.超寬帶天線理論與技術(shù).哈爾濱：哈爾濱工業(yè)大學(xué)出版社,2006

2 鮑爾,布哈蒂亞.微帶天線.北京：電子工業(yè)出版社,1984

3 薛睿峰,鐘順時(shí).微帶天線小型化技術(shù).電子技術(shù),2003(3)

4 于東海,孫仁杰,曾瑞鋒.一種UHF頻段RFID閱讀器天線的小型化設(shè)計(jì).信息與電子工程,2009,7(4)

5 馬小玲,丁丁.寬頻帶微帶天線技術(shù)及其應(yīng)用.北京：人民郵電出版社,2006

6 宋朝暉,祁嘉然,邱景輝.圓盤單極超寬帶天線特性研究.哈爾濱工程大學(xué)學(xué)報(bào),2007,28(1)

7 程勇,呂文俊,程崇虎.一種小型平面超寬帶天線的設(shè)計(jì)與研究.電波科學(xué)學(xué)報(bào),2006,21(4)

8 Ray K P.Design aspects of printed monopole antennas for ultra-wideband applications.International Journal of Antennas and Propagation,2008,1(8)