一種基于LTE的新型小型化加載開槽微帶貼片天線設(shè)計(jì)

張 梅，劉基姣，馮立波

（大理大學(xué)數(shù)學(xué)與計(jì)算機(jī)學(xué)院，云南大理 671003）

在目前的信息化時(shí)代，人們對于高性能、高頻譜利用率、高覆蓋率等方面的需求越來越大，而LTE則作為滿足人們需求的產(chǎn)物成為了研究的熱點(diǎn)〔1〕。移動(dòng)手機(jī)也朝著互聯(lián)網(wǎng)娛樂型終端的方向發(fā)展，超薄智能手機(jī)也已成為潮流，而手機(jī)天線的性能直接影響著手機(jī)終端的通信質(zhì)量。目前移動(dòng)通信系統(tǒng)對天線提出了小型化、多功能、高性能的高要求〔2〕。很顯然，傳統(tǒng)的手機(jī)天線已經(jīng)不能滿足通信的要求，各種小型化LTE手機(jī)天線已經(jīng)成為時(shí)下通信業(yè)研究的熱點(diǎn)〔3〕。

在眾多的手機(jī)天線的研究當(dāng)中，微帶天線以其體積小、剖面低、易集成、造價(jià)低等特性以及良好的性能受到廣泛的關(guān)注。在無線通信、遙測、電子對抗、生物醫(yī)學(xué)等領(lǐng)域都得到了廣泛的應(yīng)用〔4-5〕。而在移動(dòng)終端中采用內(nèi)置微帶天線，不僅可以減小天線對人體的輻射傷害，還可以讓手機(jī)的外形多樣化，所以微帶天線將是未來手機(jī)天線技術(shù)的發(fā)展方向之一。一直以來，微帶天線的小型化方法集中體現(xiàn)在天線加載、采用高介電常數(shù)或高磁導(dǎo)率的基片、表面曲流開槽技術(shù)、附加有源網(wǎng)絡(luò)、采用特殊形狀、分形技術(shù)、使用左手材料等手段〔6〕。之前已有大量學(xué)者做了這方面的研究，如在文獻(xiàn)〔7〕中，作者采用高介電常數(shù)或高磁導(dǎo)率的基片可降低諧振頻率，從而減小天線尺寸。文獻(xiàn)〔8〕作者采用天線加載技術(shù)，通過加載短路探針的方式縮減了微帶貼片尺寸。而文獻(xiàn)〔9〕則通過開槽縮減了微帶天線的尺寸。但這些文獻(xiàn)中天線小型化的實(shí)現(xiàn)是以天線增益和帶寬減少為代價(jià)的，也就是說小型化后的天線的性能有所下降。所以，如何將LTE與微帶天線兩者相結(jié)合，且在不犧牲天線各項(xiàng)性能的前提下，利用天線小型化技術(shù)來實(shí)現(xiàn)微帶天線的小型化成為了天線研究領(lǐng)域中的一個(gè)迫切的研究課題。

本文基于LTE，利用天線小型化技術(shù)，設(shè)計(jì)出了普通開槽和加載開槽兩種微帶貼片天線。該天線采用FR4環(huán)氧樹脂材料，采用同軸饋電方式對輻射貼片饋電，并覆蓋了LTE的工作頻段2.57～2.62 GHz。通過Ansoft公司的HFSS軟件，將這兩款天線進(jìn)行了比較、仿真、優(yōu)化與分析，并對其天線模型的輸入阻抗、帶寬、諧振頻率等參數(shù)進(jìn)行了比較與分析。

1 天線的結(jié)構(gòu)與設(shè)計(jì)

本文基于微帶貼片天線的基本結(jié)構(gòu)，采用FR4環(huán)氧樹脂材料和同軸饋電方式，利用天線加載和開槽技術(shù)，應(yīng)用Ansoft HFSS仿真軟件設(shè)計(jì)了應(yīng)用于LTE工作頻段（2.57～2.62 GHz）的普通開槽天線和新型加載開槽天線，其基本結(jié)構(gòu)如圖1、2所示。在這兩款天線的設(shè)計(jì)當(dāng)中，本文是通過在貼片表面上開槽或縫隙以達(dá)到更改天線輻射貼片表面電流分布，且在微帶天線上加載方形金屬片，通過與饋點(diǎn)接近的方形金屬片在諧振空腔中引入耦合電容以實(shí)現(xiàn)微帶天線的小型化，能更有效地應(yīng)用于體積較小的移動(dòng)終端中。

圖1 開槽天線

圖2 新型加載開槽天線

在該小型化微帶貼片的設(shè)計(jì)中，貼片材質(zhì)選用FR4環(huán)氧樹脂材料作為基板，介質(zhì)基板的相對介電常數(shù)為εr=4.4，厚度為h=1.5 mm。參考地和輻射貼片使用理想薄導(dǎo)體來代替，采用50 ohm同軸線饋電，選用材質(zhì)為理想導(dǎo)體（pec）的圓柱體模型來模擬同軸饋線內(nèi)芯。在與圓柱體相接的參考地上挖出一個(gè)圓孔，將其作為信號(hào)輸入輸出端口，該端口激勵(lì)方式為集總端口（Lump Port）激勵(lì)，端口阻抗為50 ohm。工作頻段為2.57～2.62 GHz，其諧振頻率為2.595 GHz。圖1中的開槽天線在貼片表面上開了4個(gè)彎曲的縫隙，使得電流繞槽曲折流過的路徑變長，達(dá)到減小天線尺寸的目的。圖2中的新型加載開槽天線在開槽天線的基礎(chǔ)上加載了方形環(huán)金屬片，以增加天線的輻射面積，提高增益。圖2中新型加載開槽天線的其他變量的尺寸如表1所示。

表1 新型加載開槽天線參數(shù)

2 天線的仿真與優(yōu)化分析

根據(jù)表1中微帶貼片天線的參數(shù)，使用Ansoft HFSS 13.0建立矩形微帶貼片天線的模型，將輻射貼片patch和接地板GND設(shè)置為理想導(dǎo)體邊界，采用50 ohm同軸線饋電，對信號(hào)傳輸端口面port的激勵(lì)方式采用Lump Port，并在設(shè)置完求解頻率和網(wǎng)絡(luò)剖析后對以上設(shè)計(jì)的開槽天線和新型加載開槽天線進(jìn)行了性能仿真。由于矩形微帶貼片天線的中心頻率主要由貼片長度來決定，貼片長度越短，則諧振頻率越高。所以，在本文中主要采用參數(shù)掃頻分析來尋求中心頻率在2.595 GHz時(shí)對應(yīng)的L0的值。并且通過掃描分析諧振頻點(diǎn)（2.595 GHz）處的回波損耗以及輸入阻抗隨同軸線饋電點(diǎn)位置L1的變化關(guān)系，Smith圓圖上S11和同軸線饋電點(diǎn)位置的變化關(guān)系，分析找出最佳阻抗匹配點(diǎn)，優(yōu)化變量L1，得到目標(biāo)函數(shù)dB（S（1，1））在2.595 GHz值為0時(shí)的性能參數(shù)值。優(yōu)化之后的結(jié)果如圖3～6所示。

圖3中的S參數(shù)表示在波端口處電磁波的反射功率和入射功率的比值，一般認(rèn)為S參數(shù)小于-10dB表明天線能正常工作。在圖3（a）中，開槽天線的中心頻率為2.595 GHz，在S參數(shù)值為-10 dB時(shí)，上截止頻率為2.572 GHz，下截止頻率為2.619 GHz，絕對頻帶寬度為0.047 GHz，相對頻帶寬度為1.8%，S參數(shù)的最低點(diǎn)為-24 dB。在圖3（b）中，加載開槽天線的中心頻率為2.595 GHz，在S參數(shù)值為-10 dB時(shí)，上截止頻率為2.567 GHz，下截止頻率為2.622 GHz，絕對頻帶寬度為0.055 GHz，相對頻帶寬度為2.1%，S參數(shù)的最低點(diǎn)為-35 dB。

圖3 S參數(shù)圖

圖4 中的Smith圓圖代表的是優(yōu)化的饋電點(diǎn)在諧振頻率處的歸一化情況，根據(jù)歸一化阻抗的值來判斷此時(shí)的優(yōu)化是否良好，可看出天線的阻抗匹配情況。如若天線的阻抗不匹配，將導(dǎo)致大量的信號(hào)反射，使天線的輻射效率降低，而一般天線的輸入阻抗設(shè)為50 ohm。圖4中開槽天線在諧振頻率為2.595 GHz時(shí)的歸一化阻抗為0.9+j0.09，加載開槽天線在諧振頻率為2.595 GHz時(shí)的歸一化阻抗為1.02-j0.003，由此可見，這兩種天線都達(dá)到了良好的匹配狀態(tài)，且加載開槽天線的阻抗匹配情況稍優(yōu)于開槽天線。

圖4 S11的Smith圓圖結(jié)果

圖5 中天線的增益是指通過天線最大輻射方向上的輻射強(qiáng)度與同一方向上理想電源天線的輻射強(qiáng)度比值。從圖4可以看出，開槽天線最大輻射方向?yàn)棣?0°、φ=90°，即輻射貼片的正上方，最大增益值約為1.229 7 dBi，開槽加載天線的最大增益值約為1.465 2 dBi。

圖5 E面和H面上的增益方向圖

駐波比是衡量天線性能的重要參數(shù)，是相鄰電壓最大值和最小值的比值，表示天線與傳輸饋線的匹配程度，值越小，表示匹配越好。天線正常工作時(shí)，一般要求天線的駐波比不大于2，即要求駐波比VSWR≤2。從圖6可以看出，開槽天線在2.595 GHz處，駐波比達(dá)到了1.2，加載開槽天線在2.595 GHz處，駐波比達(dá)到了0.3。結(jié)果表明天線在2.57～2.62 GHz這段頻率內(nèi)駐波比滿足天線正常工作的要求，這也證明了S參數(shù)圖與駐波比保持一致的關(guān)系。

圖6 駐波比

通過圖3～6，可總結(jié)得到開槽天線和加載開槽天線的優(yōu)化結(jié)果對比圖如表2所示。

表2 天線優(yōu)化結(jié)果對比

從表2可以看出，本文所設(shè)計(jì)的新型加載開槽天線在不犧牲天線性能的前提下能達(dá)到實(shí)現(xiàn)小型化的目的。

3 結(jié)語

基于LTE的工作頻段（2.57～2.62 GHz），本文通過采用FR4環(huán)氧樹脂材料和同軸饋電方式，將天線加載和開槽技術(shù)相結(jié)合，通過對微帶貼片天線基本結(jié)構(gòu)的設(shè)計(jì)、天線性能參數(shù)的分析等角度設(shè)計(jì)出了普通開槽天線和新型小型化加載開槽天線，并利用Ansoft HFSS仿真軟件對所設(shè)計(jì)天線進(jìn)行了仿真、優(yōu)化和比較。優(yōu)化后的開槽天線和新型加載開槽天線的比較結(jié)果表明：本文所設(shè)計(jì)的新型加載開槽天線的增益、反射系數(shù)、駐波比、阻抗匹配方面的性能均優(yōu)于普通開槽天線，且還能達(dá)到小型化的目的，在現(xiàn)代通信領(lǐng)域當(dāng)中具有較好實(shí)用價(jià)值和應(yīng)用前景。但目前，小型化天線的實(shí)際應(yīng)用仍是一個(gè)熱門的問題，那么將在理想狀態(tài)下設(shè)計(jì)出的天線進(jìn)行實(shí)際測試將是作者下一步的工作。

〔1〕張梅，羅桂蘭.基于LTE-Advanced的協(xié)作通信系統(tǒng)模型分析與研究〔J〕.大理學(xué)院學(xué)報(bào)，2013，12（10）：19-22.

〔2〕章文勛.世紀(jì)之交的天線技術(shù)〔J〕.電波科學(xué)學(xué)報(bào)，2000，15（1）：97-99.

〔3〕楊超，梅康，陳金鷹，等.4G通信技術(shù)及其應(yīng)用前景〔J〕.通信與信息技術(shù)，2011（3）：58-60.

〔4〕王彩華，陳曉光.一種改進(jìn)的寬帶微帶天線設(shè)計(jì)〔J〕.無線電工程，2011，41（11）：43-45.

〔5〕吳超，吳明贊，李竹.基于HFSS的無線傳感器網(wǎng)絡(luò)節(jié)點(diǎn)微帶天線設(shè)計(jì)與仿真〔J〕.電子器件，2012，35（1）：26-29.

〔6〕楊帥.微帶天線小型化技術(shù)研究〔D〕.成都：西南交通大學(xué)，2010.

〔7〕HOSSEN M，KAMAL S.Antenne M in iaturization and bandwidth enhancement using a reactive impedance substrate〔J〕.IEEE Transactions on Antennas and Propogation，2004，52（9）：2403-2414.

〔8〕劉丹，史小衛(wèi)，尹應(yīng)增.一種新型的小型化微帶天線的分析與設(shè)計(jì)研究〔J〕.火控雷達(dá)技術(shù)，2003（32）：34-37.

〔9〕WAN-KI K，JONG-M Y.M in iaturization of 3D M icrostrip antenna using fylfot-shaped structure〔C〕//Applied Electromagnetics and Cinnunications 2005.2005：3-7.