多移動(dòng)通信模式下的雙頻介質(zhì)諧振器天線設(shè)計(jì)

闞國錦，林文斌，鄒德友，鄭浩天

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多移動(dòng)通信模式下的雙頻介質(zhì)諧振器天線設(shè)計(jì)

闞國錦，林文斌，鄒德友，鄭浩天

（西南交通大學(xué) 物理科學(xué)與技術(shù)學(xué)院，四川 成都 610031）

設(shè)計(jì)的雙頻段新型介質(zhì)諧振器天線（DRA）諧振在2.16 GHz和2.61 GHz，工作在2.11~2.20 GHz和2.555~2.655 GHz，可應(yīng)用于手持無線通信設(shè)備中。該天線使用商業(yè)電磁仿真軟件設(shè)計(jì)而成，通過微帶線給介質(zhì)諧振器饋電并加入上層反射板提高天線的性能參數(shù)，天線尺寸為34 mm33 mm22.6 mm。由仿真結(jié)果可知，該天線可以完整覆蓋CDMA2000、WCDMA和TD-LTE移動(dòng)通信模式，兩個(gè)頻段帶寬分別為90 MHz和100 MHz；最大增益為8.03 dBi。該天線具有平面方向尺寸小、激勵(lì)方式簡單、便于攜帶等優(yōu)勢。

雙頻段；介質(zhì)諧振器天線；TD-LTE；微帶線；反射板；高增益

多頻段無線通信技術(shù)受歡迎的原因在于，一臺(tái)移動(dòng)設(shè)備可以在不同頻段和不同網(wǎng)絡(luò)下使用。在過去的十年里，很多科研人員試圖使用介質(zhì)諧振器設(shè)計(jì)一款應(yīng)用于多頻段的天線。本文就一種微帶線饋電方式的雙頻段介質(zhì)諧振器天線（DRA）[2]進(jìn)行了設(shè)計(jì)和研究。

DRA與傳統(tǒng)類型天線相比具有更多優(yōu)勢，例如：高輻射效率、饋電方式種類多和易于控制尺寸和帶寬[3]。介質(zhì)諧振器天線通過整個(gè)諧振器表面（除了與接地板接觸的那個(gè)面之外）進(jìn)行輻射，因?yàn)闆]有導(dǎo)體和表面波損耗，而自身介質(zhì)損耗又小，所以其輻射效率高達(dá)95%以上[4]。介質(zhì)諧振器天線可以支持多種模式，諧振在接近的兩個(gè)頻段里，可以滿足不同用戶需求。在大多數(shù)系統(tǒng)中，小型終端和基站需要同時(shí)工作在不止一個(gè)頻段中[5-6]，因此DRA的多頻工作特點(diǎn)可以滿足當(dāng)下市場的需求。

本文嘗試使用微帶線饋電方式直接對介質(zhì)諧振器進(jìn)行饋電，然后利用介質(zhì)諧振器的特點(diǎn)發(fā)射接收電磁波，為了防止電磁波的散射，分別在介質(zhì)諧振器背面附上2段寄生貼片和上端加入反射板來降低天線的回波損耗11和提高增益Gain。反射板由上層貼片和上層介質(zhì)板組成，上層貼片在上層介質(zhì)板下，貼片所使用材料為PEC，上層介質(zhì)板與下層介質(zhì)板大小相等，材料均為FR-4。本天線可以運(yùn)用在2.11~2.20 GHz和2.555~2.655 GHz頻段，并完全覆蓋了CDMA2000、WCDMA和TD-LTE移動(dòng)通信模式。本文分析了反射板高度參數(shù)和介質(zhì)諧振器下微帶線長度對天線性能的影響，通過合理地選取支柱高度和微帶線長度（支柱高度決定反射板高度），可實(shí)現(xiàn)天線工作在TD-LTE模式的同時(shí)還可以工作在CDMA2000和WCDMA模式。仿真結(jié)果表明，該天線具有良好的雙頻段工作特性，適用于手持移動(dòng)通信設(shè)備系統(tǒng)中。

1 設(shè)計(jì)與結(jié)構(gòu)

雙頻段介質(zhì)諧振器天線的結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)如圖1和圖2所示。

圖1 天線主要元件示意圖

圖2 天線結(jié)構(gòu)示意圖

位于下層介質(zhì)板上的長方體介質(zhì)諧振器[8]是該天線的組成元件之一，為了提高微帶線與介質(zhì)諧振器的耦合強(qiáng)度，一般情況下介電常數(shù)d>20，本文令d=24；尺寸為34 mm×33 mm×10 mm（長×寬×高）。介質(zhì)板采用印刷電路板（PCB）的基板，材料為FR-4（相對介電常數(shù)r=4.3），厚度為1.6 mm。接地板位于下層介質(zhì)板下，下層介質(zhì)板與接地板的大小均為140 mm×140 mm。在介質(zhì)板上通過支柱將反射板支撐于介質(zhì)諧振器上方，支柱的材料為Teflon_Based（介電常數(shù)z=2.08）。該天線由50 Ω微帶線饋電，饋電端口與SMA連接器內(nèi)的耦合探針連接。其中表1為該天線的具體參數(shù)。

表1 天線結(jié)構(gòu)參數(shù)

Tab.1 Antenna structure parameters

2 分析與仿真

該介質(zhì)諧振器天線使用微帶線耦合饋電方式，被用作激勵(lì)長方體DRA的TE11模。TE11模式下的諧振頻率可以通過下面公式（1）~（3）[7]求出。

(2)

式中：k、k、k分別為、、方向的波常數(shù)；o是自由空間中的波常數(shù)；為真空中光速。

然后利用公式（3）即可求得該天線的諧振頻率。

介質(zhì)諧振器天線磁場模型，如圖3（a）所示；可等效為水平短磁偶極子模型，如圖3（b）所示。

經(jīng)仿真結(jié)果發(fā)現(xiàn)，添加反射板對該介質(zhì)諧振器天線的回波損耗11有明顯改善，有無反射板的仿真結(jié)果對比如圖4所示。由圖4可以看出，在1.8~2.7 GHz時(shí)，該天線有反射板時(shí)工作的效果明顯好于無反射板的情況，并且滿足CDMA2000、WCDMA和TD-LTE移動(dòng)通信模式的要求[8]。

圖3 天線磁場模型(a)和等效模型(b)

圖4 反射板對天線性能的影響

對該天線的支柱高度和介質(zhì)諧振器下微帶線長度進(jìn)行仿真，得到變化時(shí)天線的回波損耗變化曲線如圖5所示。由圖可知，當(dāng)其他參數(shù)一定的情況下，當(dāng)改變支柱的高度時(shí)，隨著的增大天線的頻段1會(huì)向左移動(dòng)，頻段2基本保持不變，為了讓該天線工作在TD-LTE模式的同時(shí)還工作在CDMA2000和WCDMA模式，最終選擇=19.365 mm。

圖5 支柱高度H與S11的關(guān)系圖

當(dāng)天線工作在CDMA2000、WCDMA和TD-LTE模式時(shí)，兩個(gè)仿真參數(shù)處于匹配狀態(tài)，天線的性能達(dá)到最佳。微帶線與介質(zhì)諧振器耦合的大小決定了天線工作性能的好壞，通過調(diào)節(jié)微帶線長度來改變圖6中長度提高微帶線與介質(zhì)諧振器的耦合強(qiáng)度；天線回波損耗隨長度的變化如圖6所示。由圖可知，隨著的增大，天線阻抗匹配在低頻段逐步得到改善，當(dāng)=33.7 mm時(shí)，天線阻抗匹配最好。當(dāng)繼續(xù)增加時(shí)，天線在高頻段的阻抗匹配變差。

圖6 長度D與S11的關(guān)系圖

頻段1和頻段2的中心頻率和帶寬如表2，3所示?？梢缘贸鲈撎炀€適用于CDMA2000和WCDMA模式，并且在2.555~2.655 GHz完全覆蓋了TD-LTE模式。

表2 天線中心頻率和最小回波損耗

Tab.2 Antenna center frequency and minimum return loss

表3 天線的帶寬和適用頻段

Tab.3 The bandwidth of the antenna and the applicable frequencies

圖7分別給出了天線在2.16 GHz和2.61 GHz時(shí)o面和o面的仿真輻射方向圖。天線在低頻段時(shí)，呈現(xiàn)良好的輻射特性，但隨著頻率的增加，天線的輻射方向圖發(fā)生了改變[9]。

天線在2.0~2.7 GHz時(shí)各個(gè)頻點(diǎn)的最大增益隨頻率變化曲線[10]如圖8所示。由圖可知，天線工作在頻段1和頻段2增益效果較好，最小增益大于5.3 dBi，在2.7 GHz時(shí)達(dá)到增益最大值8.03 dBi。

圖8 天線增益變化曲線圖

3 結(jié)論

本文所述的多移動(dòng)通信模式下的雙頻段介質(zhì)諧振器天線，通過在介質(zhì)板諧振器上方加入反射板以提高天線性能。從仿真結(jié)果來看，該天線具有雙頻段工作特性、平面方向尺寸小和較高的增益等優(yōu)點(diǎn)。同時(shí)本文還分析了反射板的有無、高低和微帶線長度對天線性能的影響，并得到最優(yōu)參數(shù)。該天線滿足多移動(dòng)通信模式的要求，適用于小型手持無線通信設(shè)備與系統(tǒng)。

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（編輯：陳渝生）

Design of dual band DRA in multiple mobile communication mode

KAN Guojin, LIN Wenbin, ZOU Deyou, ZHENG Haotian

(School of Physical Science and Technology, Southwest Jiaotong University, Chengdu 610031, China)

A dual band dielectric resonator antenna was proposed, with the resonance frequencies being 2.16 GHz and 2.61 GHz. The operating bandwidths are 2.11－2.20 GHz and 2.555－2.655 GHz, respectively. The antenna can be apply to wireless communication devices, which is designed by business electronmganetic simulction software. The antenna is fed by a microstrip line and its size is 34 mm×33 mm×22.6 mm. In order to improve the performance, an upper reflector was added. The simulated results show that the antenna covers CDMA2000, WCDMA and TD-LTE mobile communication modes, bandwidths are 90 MHz and 100 MHz, respectively. The maximum gain is 8.03 dBi. Because it has advantages of compact size, simple feed and portability, the proposed antenna may be useful in wireless communications.

dual band; dielectric resonator antenna (DRA); TD-LTE; microstrip; reflector; high gain

10.14106/j.cnki.1001-2028.2017.08.015

TN826

A

1001-2028（2017）08-0084-04

2017-07-03

林文斌

教育部博士點(diǎn)基金項(xiàng)目（No. 2011018411001）

林文斌（1970－），男，福建福清人，教授，主要從事天線理論與技術(shù)方面研究，E-mail: wl@swjtu.edu.cn ；闞國錦（1992－），男，北京人，研究生，研究方向?yàn)樘炀€理論與技術(shù)，E-mail: kanguojin@my.swjtu.edu.cn 。

網(wǎng)絡(luò)出版時(shí)間：2017-07-31 11:32

http://kns.cnki.net/kcms/detail/51.1241.TN.20170731.1132.015.html