一種簡易差分微帶貼片天線的設計

楊俊秀,趙文來,李　霖

(浙江理工大學信息學院，杭州 310018)

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一種簡易差分微帶貼片天線的設計

楊俊秀,趙文來,李霖

(浙江理工大學信息學院，杭州 310018)

在微帶貼片天線的基礎(chǔ)上，設計了一種介質(zhì)基板尺寸為34.2 mm×34.2 mm×1.6 mm，材料是FR4(相對介電常數(shù)為4.4)的簡易差分微帶天線，并基于傳輸線理論給出了差分天線輸入阻抗與饋電點間的關(guān)系。用軟件 HFSS 對天線進行仿真分析，結(jié)果表明：天線工作帶寬為2.41～2.47 GHz(回波損耗)≤-10 dB)，適用于無線局域網(wǎng)WLAN 802.11b(2.4～2.48GHz)系統(tǒng)，在工作頻段內(nèi)具有良好的輻射方向性。差分天線把差分信號直接饋入到天線的兩個端口，為設計高集成的射頻前端提供了新途徑。

反射損耗；差分；奇模反射系數(shù)；HFSS; 微帶天線

0　引　言

微帶天線由于具有重量輕、成本低、結(jié)構(gòu)緊湊，易于與微帶線路集成等優(yōu)點被廣泛應用，但其尺寸與日益擴展的無線通信射頻集成前端矛盾越來越明顯?；谛⌒突目紤]，常采用增加介電常數(shù)、加載(電阻或短路面、片、短路探針等)或曲流技術(shù)(在輻射貼片或接地板上開槽或蝕刻縫隙改變電流路徑)實現(xiàn)，有在貼片上加載 U 形縫隙得到雙頻微帶天線，有采用高介電常數(shù)基板縮減天線尺寸，也有通過加載矩形縫隙實現(xiàn)圓極化微帶天線。而作為射頻前端關(guān)鍵部件的天線，通常設計為單端饋電，致使天線與后續(xù)差分電路間需單端到雙端的轉(zhuǎn)換巴倫。差分技術(shù)使得低噪聲、抗干擾尤其是抗共模干擾成為可能，差分天線改變了傳統(tǒng)天線的設計方法，直接把差分信號饋入到天線，為設計集成射頻前端提供了新途徑[1-4]。本文主要圍繞差分微帶天線展開敘述，在單端饋電的基礎(chǔ)上調(diào)整，并基于微帶線的傳輸線模型，設計了一種簡易差分微帶天線。

1　天線結(jié)構(gòu)

差分微帶天線因可與后端差分芯片直接耦合被廣泛關(guān)注，主流的射頻芯片(如低噪聲放大器)大多

采用差分結(jié)構(gòu)，與傳統(tǒng)的單端微帶天線相比擺脫了巴倫，減小電路尺寸的同時也提高了效率及集成度[3-4]。香港大學曾對差分微帶天線領(lǐng)域展開過相關(guān)研究，美國學者Deal提出用推挽功率放大器直接驅(qū)動差分微帶天線，使得電路結(jié)構(gòu)變得緊湊，提高了有源天線的效率，瑞士研究者Brauner設計了與差分低噪聲放大器進行集成的差分微帶天線，新加坡的學者Zhang在標準0.18 μmCMOS(互補金屬氧化物半導體)技術(shù)中將推挽功率放大器與差分天線進行集成[5-6]。

王世軍等[5]通過貼片開槽改變電流路徑的方法，設計了基于HFSS的小型化差分微帶天線，仿真結(jié)果表明該天線諧振頻率為2.45GHz，帶寬為18MHz，增益為7.15dBi。但帶寬不能滿足WLAN 802.11b(2.4～2.48GHz)的要求。基于類似設計思想，本文在單端饋電的微帶天線基礎(chǔ)上，結(jié)合微帶線的等效傳輸線模型，設計了一種更加簡易的差分微帶天線，仿真結(jié)果表明天線諧振頻率在2.44～2.45GHz間，帶寬超過53MHz，但未能完全達到WLAN 802.11b系統(tǒng)的帶寬要求，且增益相對較低。

其中：H為基板厚度，W為貼片寬度。同軸饋電位置L1滿足：

L為天線貼片長，當諧振頻率設定為2.45GHz，單端饋電帶入上列式子分別得貼片長、寬L=28.6mm，W=37.26mm，饋電點L1=7mm。設天線系統(tǒng)輸入端口為1，由于天線與前端傳輸線特征阻抗不匹配會造成加到傳輸線的功率不能全部被天線吸收并輻射，S(1，1)即表征了系統(tǒng)入射端口的損耗，也稱為反射損耗或回波損耗，分貝表示為dB(S(1，1))=201gS(1，1)，仿真分析并優(yōu)化后天線的回波損耗結(jié)果如圖1所示。仿真其E面及H面的輻射方向圖如圖2所示。

圖1　dB(S(1,1)隨頻率的變化曲線

圖2　xz面和yz截面上的輻射增益方向

基于單端饋電的微帶天線及天線的傳輸線理論，設計的差分微帶天線結(jié)構(gòu)如圖3所示，天線基板材料聚四氟乙烯FR4相對介電常數(shù)為4.4，厚度H為1.6mm，輻射貼片長、寬取與單端饋電的長相同，且為正方形貼片，即L0=W0=28.6mm，基板及接地板尺寸為正方形，其長、寬滿足：Lg=L0+0.2λg，Wg=W0+0.2λg，饋電方式為同軸饋電，2個饋電點坐標分別為(±L1=±3.5mm,0)。相對單端饋電微帶天線，貼片結(jié)構(gòu)基本不變，尺度縮小，將饋電端口擴展為兩個，且饋電點之間間距與單端饋電時饋電點到坐標原點距離相當。天線具體尺寸見表1。

圖3　天線結(jié)構(gòu)

mm

2　傳輸線模型

差分饋電微帶天線的設計方法不同于單端饋電微帶天線，借鑒微帶天線的3種分析方法之傳輸線模型理論，描述圖3天線結(jié)構(gòu)依據(jù)。首先，天線諧振頻率主要受貼片形狀及結(jié)構(gòu)影響，依據(jù)單端饋電微帶天線的設計方法，得天線輻射貼片尺寸L0=W0=28.6 mm，基板及接地板長、寬滿足：Lg=L0+0.2λg=34.6 mm，Wg=W0+0.2λg=34.6 mm；反射損耗性能主要受饋電點位置影響，差分饋電需保證電路結(jié)構(gòu)完全對稱才有可能的理想效果，因此饋電點對稱取(±L1=±3.5 mm,0)。傳輸線模型假設輻射導體和接地板構(gòu)成一段能傳輸準TEM波的微帶傳輸線，輻射導體與接地板之間的高頻電磁場沿導體長度方向呈駐波變化，沿寬度和基板厚度方向為常數(shù)，傳輸線兩個開口等效為兩個輻射縫隙，邊緣場激發(fā)輻射[1-2]。圖3結(jié)構(gòu)的微帶天線等效傳輸線模型如圖4所示。

圖4　天線的傳輸線模型

圖4中Z0、Zs分別為輻射貼片的特征阻抗和輻射阻抗，2L1、L0/2-L1分別為貼片被饋電點分開的各段傳輸線的長度,Cs為輻射電容，圖4還可等效簡化為圖5。

圖5　簡化的天線傳輸線模型

饋電探針的感抗：

3　仿真結(jié)果

運用HFSS對表1結(jié)構(gòu)的差分微帶天線進行仿真，得奇模反射系數(shù)dB(st(Diff,Diff))隨頻率的變化曲線如圖6所示。

圖6　dB(St(Diff,Diff))隨頻率的變化曲線

由圖6可看出，天線諧振頻率低于2.45 GHz，故縮短天線長度L0，參數(shù)掃描如圖7所示。

圖7　貼片長度L0改變時dB(St(Diff,Diff)隨頻率的變化曲線

由圖7可看出，當輻射貼片長度L0=28.2 mm時，天線諧振頻率接近2.45 GHz。改善匹配性能，需調(diào)整差分饋電點間的距離。對L1進行參數(shù)掃描分析，結(jié)果如圖8所示。

圖8　饋電點距離改變時dB(St(Diff,Diff))隨頻率的變化曲線

由圖8可看出，當對稱差分饋電點坐標L1=3.7 mm時，天線輸入阻抗與饋線匹配較好，故有好的傳輸性能，優(yōu)化后的天線尺寸如表2所示。

表2　天線尺寸　mm

對應的奇模反射系數(shù)dB(St(Diff,Diff))隨頻率的變化曲線如圖9所示。

圖9　滿足表2尺寸的天線dB(St(Diff,Diff)隨頻率的變化曲線

由圖9可看出，天線工作帶寬為2.41～2.47 GHz(回波損耗dB(St(Diff,Diff))≤-10 dB)，適用于無線局域網(wǎng)WLAN 802.11b(2.4～2.48GHz)系統(tǒng)。仿真其E面及H面的輻射方向圖如圖10所示。

圖10　xz面和yz截面上的輻射增益方向圖

4　結(jié)　語

借鑒矩形貼片微帶天線的設計思路，基于HFSS設計了一種奇模反射系數(shù)dB(St(Diff,Diff))≤-10 dB，帶寬為2.41～2.47 GHz的差分微帶天線，基本覆蓋WLAN波段。該差分天線無須開槽或縫線，天線口徑面積為795.2 mm2，尺寸約為傳統(tǒng)單端饋電微帶天線的75%，有關(guān)如何提高天線增益將是接下來繼續(xù)探索的環(huán)節(jié)。

[1] 吳高飛.差分微帶天線設計及其傳輸線模型研究[D].太原：山西大學,2013：1-3.

[2] 韓麗萍.差分雙頻微帶天線研究[D].太原：山西大學,2010：31-34.

[3] 袁航盈,張介秋.一種用于“北斗”導航系統(tǒng)的小型化微帶貼片天線[J].空軍工程大學學報(自然科學版),2012,13(5):76-79.

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[9] 謝擁軍,王鵬,李磊，等.HFSS基礎(chǔ)及應用[M].西安:西安電子科技大學出版社,2007：83-88.

(責任編輯： 陳和榜)

Design of a Simple Differential Microstrip Patch Antenna

YANGJunxiu,ZHAOWenlai,LILin

(School of Information Science and Technology, Zhejiang Sci-Tech University, Hangzhou 310018, China)

A simple differential microstrip patch antenna, whose size of dielectric substrate 34.2 mm×34.2 mm×1.6 mm and is made of FR4 (the relative dielectric constant is 4.4) was designed based on microstrip patch antenna. Moreover, the relation between antenna input impedance and feeding points was analyzed based on transmission line theory. Finally, a simulation analysis on antenna was made by using the HFSS software. The results show that antenna bandwidth is 2.41～2.47 GHz (return loss≤10 dB), which is applicable to WLAN 802.11 b(2.4～2.48GHz)system; The antenna has good directional radiation characteristics within its operating frequency range. The differential antenna directly feeds differential signals into the tweo ports of antenna so it provides a new approach for designing highly-integrated RF front ends.

return loss; differential; odd-mode reflection coefficient; high frequency structure simulator; microstrip antenna

10.3969/j.issn.1673-3851.2016.05.013

2015-07-31

國家自然科學基金項目(61101052)；浙江省教廳科研項目(Y201329492)

楊俊秀(1976- )，女，河南開封人，講師，主要從事電磁場理論及射頻通信方面的研究。

TN82

A

1673- 3851 (2016) 03- 0398- 05 引用頁碼： 050601