應(yīng)用模式理論設(shè)計(jì)分析新型圓形雙頻微帶天線

劉嘯嵐，逯貴禎，段中航

(中國(guó)傳媒大學(xué) 信息工程學(xué)院，北京 100024)

應(yīng)用模式理論設(shè)計(jì)分析新型圓形雙頻微帶天線

劉嘯嵐，逯貴禎，段中航

(中國(guó)傳媒大學(xué) 信息工程學(xué)院，北京 100024)

應(yīng)用特征模式理論(TCM)指導(dǎo)設(shè)計(jì)了一種新型的低剖面圓形雙頻微帶天線。首先，在傳統(tǒng)圓形微帶天線的解析公式的基礎(chǔ)上，通過(guò)曲線擬合，得到新型半圓形雙頻微帶天線的解析公式。天線設(shè)計(jì)者可以根據(jù)解析公式確定所需特定諧振頻率天線的參數(shù)尺寸，然后通過(guò)分析天線不同模式的輻射特性，借助于不同模式歸一化電場(chǎng)的分布來(lái)選擇最佳的饋電位置以激發(fā)出需要的模式，進(jìn)而通過(guò)對(duì)天線進(jìn)行開槽減少外邊緣不需要的電流來(lái)展寬天線帶寬提高天線輻射效率。

模式理論；雙頻天線；低剖面；饋電位置

1 引言

現(xiàn)代通訊系統(tǒng)應(yīng)用中，由于頻譜緊張，為增加信道數(shù)量，擴(kuò)展新頻段，通常要求天線能夠工作在兩個(gè)或多個(gè)任意間隔的離散頻段，以實(shí)現(xiàn)更多功能，能夠兼容雙頻段或多頻段的低剖面天線成為發(fā)展趨勢(shì)[1]。有關(guān)雙頻低剖面天線設(shè)計(jì)分析的文獻(xiàn)很多，并且達(dá)到很好的性能指標(biāo)。Ahmad等人設(shè)計(jì)了一款T型雙頻天線[2]，擁有2.4GHz和5.25GHz兩個(gè)頻段，文中初步研究了天線參數(shù)尺寸與帶寬之間的關(guān)系。在2017年，Mohamed Aboualalaa等人制作了一款地面開槽的圓形雙頻天線[3]，該天線采用多層結(jié)構(gòu)，通過(guò)在接地板開圓形槽，提高天線前后比，在1.95GHz和2.45GHz增益為8.3dB和7.8dB。

目前詳細(xì)介紹天線設(shè)計(jì)規(guī)律的文獻(xiàn)比較少，然而對(duì)雙頻天線系統(tǒng)設(shè)計(jì)方法的研究，可以使天線設(shè)計(jì)者獲得較明確的設(shè)計(jì)思路。本文利用特征模式理論作為一種系統(tǒng)的方法設(shè)計(jì)了一種新型的圓形雙頻微帶天線，首先對(duì)模式理論進(jìn)行簡(jiǎn)要介紹，分析圓形雙頻微帶天線物理尺寸與兩個(gè)諧振頻率之間的關(guān)系，通過(guò)曲線擬合得到新型天線的解析公式，利用模式分析的方法，分析天線不同模式的輻射特性，借助于不同模式歸一化電場(chǎng)的分布來(lái)選擇最佳的饋電位置以激發(fā)出需要的模式，并對(duì)微帶天線開槽，展寬帶寬，減小后向輻射。

2 特征模理論

特征模理論最初由Garbacz在1968年他的博士論文[4]中提出，1971年由Harrington和Mautz通過(guò)對(duì)角化導(dǎo)體的廣義阻抗矩陣，得到了與Garbacz定義的相同模式[5]-[6]。特征模是相互正交的特征電流，僅與電磁結(jié)構(gòu)體的形狀，尺寸和工作頻率有關(guān)，與激勵(lì)和工作頻率無(wú)關(guān)，是電磁物體本身固有的屬性，具有完備性和正交性。

特征模理論建立在矩量法之上，滿足特征方程[7]：

X(Jn)=λnR(Jn)

(1)

Jn和λn分別是特征模的特征電流和特征值。R和X是結(jié)構(gòu)的阻抗矩陣z的實(shí)部和虛部。

Z=R+JX

(2)

(3)

由于λn的值變化范圍很大，為了方便觀察各個(gè)模式的諧振情況，采用Modal Significance(MS)表示歸一化電流幅值[7]：

(4)

MS取值范圍為(0，1)，MS接近1時(shí)，表示該模式越接近諧振狀態(tài)；反之，表明該模式遠(yuǎn)離諧振，難以被激勵(lì)而有效輻射。因此，采用模式分析可以使天線設(shè)計(jì)者選擇最佳的饋電位置以激發(fā)出需要的模式。

3 天線設(shè)計(jì)

如圖1所示，雙頻天線包括兩個(gè)半圓形貼片、接地板和同軸饋電。天線印刷相對(duì)介電常數(shù)εr=1.5的介質(zhì)基板上，介質(zhì)基板尺寸為w*l*h，左半圓圓心坐標(biāo)為(0，0)，饋電點(diǎn)坐標(biāo)(x0，y0)。

圖1 雙頻天線幾何結(jié)構(gòu)圖

3.1 確定天線尺寸參數(shù)

當(dāng)r0=0時(shí)，天線為傳統(tǒng)圓形微帶天線，其主模諧振頻率可近似用下式表示[9]。

(5)

其中c為自由空間的光速，r為圓形貼片半徑，εr為介質(zhì)基板有效介電常數(shù)。設(shè)計(jì)目標(biāo)天線諧振頻率為2.45GHz，首先通過(guò)式(5)得到r的近似值，再將該結(jié)構(gòu)于HFSS仿真軟件中進(jìn)行優(yōu)化調(diào)節(jié)實(shí)驗(yàn)，改變圓形貼片的大小來(lái)調(diào)節(jié)天線中心頻率，得到具體尺寸如表1所示。

表1 天線參數(shù)

當(dāng)r0≠0時(shí)，由于兩個(gè)半圓連接處出現(xiàn)不連續(xù)，產(chǎn)生雙頻工作模式。通過(guò)圖2(a)可以觀察到當(dāng)兩個(gè)半圓圓心距離越大，天線的第一諧振頻率向高頻偏移，第二諧振頻率向低頻偏移，兩頻率值逐漸靠近。

(a)r0

(b)r

(c)εr

(d)h圖2 不同尺寸參數(shù)天線仿真結(jié)果

由圖2(b)可知，隨著半徑r的減小，天線諧振頻率逐漸向高頻平行偏移，而介質(zhì)基板的介電常數(shù)εr越大，兩諧振頻率同時(shí)向低頻偏移，如圖2(c)所示。而介質(zhì)基板的厚度主要影響天線帶寬。圖2(d)中，當(dāng)介質(zhì)基板厚度增加時(shí)，-10dB帶寬隨之增大。

根據(jù)圖3，可以觀察天線參數(shù)尺寸r、r0、εr與諧振頻率fc1、fc2的關(guān)系，通過(guò)曲線擬合，得到雙頻天線諧振頻率fc1和fc2的近似公式(6)(7)。令fc1=2.45GHz，fc2=3.5GHz，通過(guò)計(jì)算得到r=30.9mm，r0=6.8mm。

(6)

(7)

3.2 選擇最佳饋點(diǎn)位置

設(shè)計(jì)天線時(shí)，需要合理的選擇饋電點(diǎn)位置，才能激勵(lì)所需模式，同時(shí)避免激勵(lì)其他模式。根據(jù)不同模式的電場(chǎng)分布，饋電點(diǎn)選擇在電場(chǎng)強(qiáng)度大的地方，容易激勵(lì)出該模式。

如圖3所示，r0=0時(shí)，圓形微帶天線前四個(gè)模式歸一化電場(chǎng)分布在所研究的頻帶內(nèi)，這四個(gè)模式占支配地位，其對(duì)應(yīng)的諧振頻率分別為2.45GHz，2.45GHz，3.87GHz，4.01GHz。

(a)模式一 (b)模式二

(c)模式三 (b)模式四圖3 圓形微帶天線前四個(gè)模式歸一化電場(chǎng)分布圖

當(dāng)r0≠0時(shí)，四個(gè)模式電場(chǎng)分布發(fā)生變化，如圖4所示，其諧振頻率分別為2.06GHz，2.45GHz，3.5GHz，3.78GHz。

(a)模式一 (b)模式二

(c)模式三 (b)模式四圖4 雙頻天線前四個(gè)模式歸一化電場(chǎng)分布圖

天線輸入阻抗與特性阻抗的匹配可由適當(dāng)?shù)倪x擇饋電點(diǎn)的位置來(lái)實(shí)現(xiàn)，借助于不同模式歸一化電場(chǎng)的分布來(lái)選擇最佳的饋電位置以激發(fā)出需要的模式。圖5為饋電點(diǎn)在不同位置時(shí)，圓形微帶天線的仿真結(jié)果。饋電點(diǎn)在y軸上移動(dòng)，x0=0mm。在y0=8mm的位置時(shí)，模式二、模式三的電場(chǎng)強(qiáng)度相對(duì)較大，而其他兩個(gè)模式的電場(chǎng)強(qiáng)度相對(duì)較小，第二、三模式被激勵(lì)。天線有2.45GHz和3.48GHz兩個(gè)諧振頻率。饋電點(diǎn)在y0=16mm時(shí)，第一模式場(chǎng)強(qiáng)在該位置相對(duì)較大，第一模式被激勵(lì)。同理y=23mm，第四模式被激勵(lì)。

圖5 不同位置饋電時(shí)天線仿真結(jié)果

3.3 天線開槽

頻帶窄仍是所提出的新型雙頻天線的缺點(diǎn)，在貼片表面開槽可以改變天線的電流分布，使天線激起多個(gè)不同的模態(tài)，有主模和沿槽邊沿分布的電流的其他模態(tài)。如果這些模態(tài)相對(duì)應(yīng)的諧振頻率接近，就可以獲得寬的頻帶。本文將運(yùn)用開槽技術(shù)的對(duì)圓形雙頻天線進(jìn)行改進(jìn)，展寬帶寬。

圖6 改進(jìn)后雙頻天線的幾何結(jié)構(gòu)

在圖6中給出改進(jìn)后圓形雙頻天線的幾何結(jié)構(gòu)，在與X軸夾角70°和130°分別開半徑rs=15mm，角度θ=30°。扇形，所提出的改進(jìn)目的是減少外邊緣上的不需要的電流，使得兩諧振頻率合并，達(dá)到展寬帶寬的目的，仿真結(jié)果如下圖7所示。

圖7 改進(jìn)后的雙頻天線仿真結(jié)果

從圖8中可以看出改進(jìn)后的雙頻天線只存在第二、三模式，帶寬展寬，后向輻射明顯減小，輻射效率提高。

圖8 改進(jìn)后天線增益

4 結(jié)論

本文利用特征模式理論(TCM)作為一種系統(tǒng)的方法來(lái)指導(dǎo)設(shè)計(jì)了一種新型的圓形雙頻微帶天線。天線由兩個(gè)半圓形貼片組成，天線設(shè)計(jì)者可通過(guò)改變其半徑和兩半圓圓心距離來(lái)調(diào)節(jié)諧振頻率，然后借助于不同模式歸一化電場(chǎng)的分布來(lái)選擇最佳的饋電位置，最后文中通過(guò)對(duì)天線進(jìn)行開槽減少外邊緣不需要的電流來(lái)展寬天線帶寬提高天線輻射效率，通過(guò)仿真驗(yàn)證，后向輻射明顯減小，輻射效率提高。

[1]劉義.移動(dòng)通信中小型化雙頻微帶天線的研究及設(shè)計(jì)[D]. 杭州：杭州電子科技大學(xué)，2010.

[2]Gheethan Ahmad A，D E Anagnostou.Broadband and Dual-Band Coplanar Folded-Slot Antennas[J].IEEE Antennas and Propagation Magazine，2011，53(1)：80-89.

[3]Mohamed Aboualalaa，Adel B. Abdel-Rahman，Ahmed Allam.Design of a Dual-Band Microstrip Antenna With Enhanced Gain for Energy Harvesting Applications[J].IEEE Antennas amp; Wireless Propagation Letters，2017，16(99)：1622-1626.

[4]Garbacz R J.A Generalized Expansion for Radiated and Scattered Fields[D].Ph D dissertation，Ohio State University，Columbus，1968.

[5]Harrington R F， Mautz J R. Theory of Characteristic Modes forConducting Bodies[J].IEEE Trans Antennas Propagat，1971，19(05)：622-628.

[6]Harrington R F，Mautz J R. Computation of Characteristic Modes forConducting Bodies[J].IEEE Trans Antennas Propagate，1971，19(5)：629-639.

[7]Martin Vogel，Gopinath Gampala，Daniёl Ludick，et al.Characteristic Mode Analysis：Putting Physics back into Simulation[J].IEEE Antennas and Propagation Magazine，2015，57(2)：307-317.

[8]Eugen Safin，Dirk Manteuffel.Advanced Eigenvalue Tracking of Characteristic Mode[J].IEEE Transactions on antennas and propagation，2016，64(7).

(責(zé)任編輯：王 謙)

AnalysisandDesignofaNovelCircularDual-BandMicrostripAntennaUsingtheTheoryofCharacteristicModes

LIU Xiao-lan，LU Gui-zhen，DUAN Zhong-hang

(Information Engineering School，Communication University of China，Beijing 100024，China)

The theory of characteristic modes(TCM)is used as a systematic approach to design a novel semicircular dual-band microstrip antenna. Firstly，parameters of the dual-band antenna can be determined according to analytic formula obtained by curve fitting，and then optimum feed position is selected to excite the desired pattern through the analysis of the antenna radiation characteristics and normalization field of different modes. Furthermore，edge current is reduced by antenna slot，so that the antenna bandwidth is broadened and the radiation efficiency of the antenna is improved.

TCM；dual-band；low-profile；feed

O441.4

A

1673-4793(2017)06-0021-05

2017-10-18

劉嘯嵐(1987 - )，女(回族)，河北衡水人，中國(guó)傳媒大學(xué)博士研究生.E-mail：shuiweijuzi@163.com