一種新型寬帶雙頻板基天線設(shè)計(jì)與實(shí)現(xiàn)

許 拓 劉成國 丁肇宇 張經(jīng)緯 何大平 吳志鵬

(湖北省射頻微波應(yīng)用工程技術(shù)研究中心 湖北 武漢 430070)

0 引 言

寬帶多頻板基天線是當(dāng)代信息技術(shù)應(yīng)用中的一個(gè)關(guān)鍵技術(shù)，在系統(tǒng)寬帶化和多頻化的應(yīng)用系統(tǒng)中必須得到很好的解決。例如，超低功耗芯片技術(shù)的發(fā)展使以物聯(lián)網(wǎng)為代表的無線傳感器節(jié)點(diǎn)功耗進(jìn)入微瓦(μw)量級(jí)[1-2]，這使利用周圍環(huán)境中(手機(jī)、無線局域網(wǎng)、FM/AM廣播信號(hào)和電視信號(hào)等)的射頻無線能量為其中低功耗傳感器節(jié)點(diǎn)的自持供電技術(shù)提供了有效選擇，成為目前的熱門研究課題[3-4]。有效地收集環(huán)境電磁能量的寬帶多頻天線技術(shù)是需要解決的關(guān)鍵技術(shù)之一，用以滿足天線小尺寸、重量輕、易于安裝和雙頻或者多頻覆蓋等方面的應(yīng)用需求[5]。一方面，單極子天線可以大大增加天線帶寬[6-7]；另一方面，為了使單極子天線能夠接收到更多人為頻段的能量需要研發(fā)多頻單極子天線[8]，由于實(shí)現(xiàn)困難，所以成為無線能量收集天線研究的一個(gè)重要問題。文獻(xiàn)[9]提出了一種結(jié)構(gòu)復(fù)雜的三頻天線，而在設(shè)計(jì)頻點(diǎn)900 MHz和1 900 MHz的帶寬和增益均不高，文獻(xiàn)[10]中設(shè)計(jì)的雙頻天線得到的天線實(shí)測(cè)性能在低頻900 MHz也不理想。目前，能量收集系統(tǒng)中整流天線大多追求結(jié)構(gòu)復(fù)雜、多頻等指標(biāo)，忽略了天線本身性能，設(shè)計(jì)的天線往往結(jié)構(gòu)復(fù)雜、實(shí)現(xiàn)了多頻特性，而帶寬和增益等性能大大降低。

針對(duì)我國固定使用的900 MHz和1.8 GHz成熟商用通信頻段，開展了新型雙頻板基G型[11]天線結(jié)構(gòu)的研究和設(shè)計(jì)，通過HFSS軟件仿真、優(yōu)化以及天線的制作和測(cè)試，實(shí)現(xiàn)了雙頻點(diǎn)的高帶寬、大波束寬度的較高增益的良好天線輻射特性。在物聯(lián)網(wǎng)時(shí)代背景下，對(duì)該天線應(yīng)用于射頻能量收集系統(tǒng)提供一種選擇。

1 原理分析和設(shè)計(jì)

1.1 天線結(jié)構(gòu)

為更有利于射頻能量的接收，需要具有多頻功能、增加電磁波接收面積和比較大的半功率波束寬度。目前擴(kuò)展微帶結(jié)構(gòu)天線帶寬的方法主要是加厚介質(zhì)基板或采用介電常數(shù)較小基板[12]、電磁耦合、增加阻抗匹配網(wǎng)絡(luò)和開槽技術(shù)等[13]。本文選用1/4波長的單極子天線的機(jī)制設(shè)計(jì)天線，為滿足相對(duì)帶寬和板基印刷等要求，采用圖1所示的G型結(jié)構(gòu)，兩個(gè)天線臂實(shí)現(xiàn)雙頻工作，并且兩臂之間相互耦合，使得諧振頻率相互靠近，有利于增大工作頻點(diǎn)帶寬；同時(shí)，天線臂的有效電長度輻射方向的改變，半功率波束寬度也隨之變化。圖中標(biāo)明了天線結(jié)構(gòu)的尺寸參數(shù)L1、L2、L3、L4、L5、L6、H1、H2和Wf。Le和Lg除了表示板基天線的尺寸之外，Lg也是其微帶饋線的長度?；宀捎脧V泛應(yīng)用的FR4，其介電常數(shù)εr為4.4，正切損耗為0.02，基板厚度為1.6 mm。

圖1 G形天線的結(jié)構(gòu)和參數(shù)

表1 天線臂長理論值

1.2 微帶饋線

微帶線是集成電路普遍使用的平面?zhèn)鬏斁€，可以很好地作為板基微波天線的饋線系統(tǒng)。它附著在介質(zhì)基板上，良好地印刷在一起。使用中為了滿足匹配的要求，要設(shè)計(jì)微帶線的上述參數(shù)得到給定特征阻抗，如50歐姆的微帶線。

文獻(xiàn)[14]給出了微帶線厚度為t時(shí)，微帶線寬w與微帶線阻抗和有效介電常數(shù)的關(guān)系近似值公式：

(1)

設(shè)計(jì)中選用了FR4板材，基于用標(biāo)準(zhǔn)的50歐姆微帶線饋電的一般要求，運(yùn)用微帶線特征阻抗的近似計(jì)算公式計(jì)算得到基本的線寬為Wf=3.05 mm。在仿真時(shí)再進(jìn)行參數(shù)優(yōu)化，將它和天線構(gòu)成的單端口網(wǎng)絡(luò)的輸入端口阻抗匹配到50歐姆。

2 參數(shù)優(yōu)化和性能仿真

2.1 半功率波束寬度

通過仿真設(shè)計(jì)對(duì)該天線參數(shù)進(jìn)行優(yōu)化設(shè)計(jì)。以頻率1.8 GHz為中心，在0.1～2.5 GHz的范圍內(nèi)以10 MHz步進(jìn)進(jìn)行掃描計(jì)算。通過改變各臂長度將天線工作頻點(diǎn)匹配到900 MHz和1.8 GHz，在表1的尺度內(nèi)調(diào)整臂長對(duì)應(yīng)各參數(shù)，實(shí)現(xiàn)阻抗匹配。

將天線的等效電長度在輻射方向的垂直方向上拉伸，即減小L3，增大L4，得到更大的半功率波束寬度并實(shí)現(xiàn)良好的天線輻射特性。比較了結(jié)構(gòu)尺寸L1+L2+L3+L4-3×Wf和H2+L6的值，基本相等。比較了仿真結(jié)果中的方向圖，發(fā)現(xiàn)半功率波束寬度在低頻情況下幾乎一樣，高頻時(shí)波束寬度有明顯差別。在高頻情況下天線半功率波數(shù)寬度大了約15°的結(jié)構(gòu)尺寸。圖2給出了仿真的兩種尺寸下，半功率波束寬度在低頻和高頻下的曲線平面方向圖仿真結(jié)果的對(duì)比圖，并標(biāo)明了15°差別的相關(guān)數(shù)據(jù)。

(a) 900 MHz半功率波束寬度

(b) 1.8 GHz半功率波束寬度圖2 兩種尺寸的半功率波束寬度

2.2 天線尺寸和S參數(shù)

通過改變天線結(jié)構(gòu)和微帶饋線的尺寸，對(duì)半功率波束寬度大的天線尺寸作了研究。得到了圖3所示的天線回波損耗隨頻率變化曲線。

研究表明，改變L1、L4、L3可以調(diào)整低頻點(diǎn)偏移，改變H2和L6可以調(diào)整高頻點(diǎn)偏移，改變H1、L6、L1對(duì)兩個(gè)頻點(diǎn)偏移都會(huì)有影響。雙臂之間存在互耦作用，H1和Lg對(duì)天線高頻諧振點(diǎn)影響比較大，H2主要影響高頻諧振點(diǎn)頻點(diǎn)偏移量。在改變參數(shù)大小時(shí)，會(huì)影響兩臂電長度和它們之間的互耦效果，從而影響工作頻點(diǎn)的偏移量和天線帶寬。

(a) 改變參數(shù)H1

(c) 改變參數(shù)L3

(d) 改變參數(shù)Lg圖3 改變天線部分參數(shù)回波損耗曲線圖

圖3給出的是改變H1、H2、L3和Lg的S11曲線圖，反映了上述的變化情況。圖中顯示隨著各參數(shù)的變化，低頻點(diǎn)900 MHz的偏移量不大，并且低頻點(diǎn)處的S11值差距約為5 dB以內(nèi)。而高頻點(diǎn)1.8 GHz的偏移量隨著參數(shù)變化比較大，且S11值最大能差20 dB左右。最終，通過掃參優(yōu)化得到諧振頻點(diǎn)處于900 MHz和1.8 GHz的良好阻抗匹配結(jié)果，表2是優(yōu)化后對(duì)應(yīng)的參數(shù)。表中結(jié)果表明L1+L2+L3+L4-3×Wf和H2+L6的值，分別為73.4和21.33 mm，均在表1的理論范圍內(nèi)。

表2 各優(yōu)化參數(shù)設(shè)置

3 測(cè)試結(jié)果與分析討論

本文為研制出設(shè)計(jì)的板基天線，將設(shè)計(jì)的天線輸出PCB版圖，使用紅外激光直刻技術(shù)直接加工成型，得到了圖4天線實(shí)物。該圖中研制的天線已焊接上了標(biāo)準(zhǔn)的50歐姆SMA轉(zhuǎn)接頭，在微波暗室中連接在了一套3D天線輻射性能的全自動(dòng)測(cè)試系統(tǒng)上。

圖4 天線實(shí)物及測(cè)試安裝圖

測(cè)試工作在湖北省射頻與微波應(yīng)用技術(shù)工程技術(shù)研究中心開展，天線的S參數(shù)使用Keysight PNA 5427A測(cè)得。輻射性能使用Keysight PNA 5427A和一套3D天線性能全自動(dòng)測(cè)試系統(tǒng)在微波暗室里測(cè)得。

圖5給出了仿真與實(shí)測(cè)的天線回波損耗對(duì)比圖，圖中結(jié)果表明，仿真結(jié)果與實(shí)測(cè)結(jié)果吻合，只在高頻點(diǎn)1.8 GHz的回波損耗值相差接近30 dB，但是頻點(diǎn)幾乎沒有偏移。仿真和實(shí)測(cè)的相對(duì)帶寬也差不大。提取實(shí)測(cè)S11值，反射系數(shù)小于-10 dB的阻抗帶寬分別是：900 MHz為90 MHz(860～950 MHz)，1.8 GHz為600 MHz(1.55～2.15 GHz)，相對(duì)帶寬分別為10%和33.3%。

圖5 實(shí)測(cè)與仿真S11對(duì)比圖

圖6為天線在900 MHz和1.8 GHz時(shí)E面和H面的實(shí)測(cè)與仿真對(duì)比方向圖，一方面表明該天線為線天線，主極化性能良好；另一方面，天線的方向圖有很好的全向效果，更有利于能量收集的應(yīng)用。由實(shí)測(cè)可得天線的半功率波束寬度分別能夠達(dá)到73°和126°，低頻點(diǎn)稍微低于仿真結(jié)果90°，高頻點(diǎn)略高于仿真結(jié)果120°；天線在900 MHz和1.8 GHz的不圓度分別不高于2.6 dB和5.7 dB。

(a) 900 MHz方向圖 (b) 1.8 GHz方向圖圖6 仿真與實(shí)測(cè)方向圖

圖7為在微波暗室中測(cè)得的天線增益與仿真增益對(duì)比圖，實(shí)測(cè)結(jié)果表明，在900 MHz的增益約為0.7 dBi，在1.8 GHz的增益約為2.6 dBi；在低頻段900 MHz左右仿真增益比實(shí)測(cè)增益大，高頻段實(shí)測(cè)增益比仿真增益大。由于發(fā)射天線在寬頻帶范圍的精度以及實(shí)際測(cè)量設(shè)備的安裝中會(huì)產(chǎn)生固有誤差，實(shí)測(cè)結(jié)果與仿真結(jié)果會(huì)存在一定誤差。

4 結(jié) 語

本文設(shè)計(jì)了一種應(yīng)用于無線能量收集系統(tǒng)的新型寬帶雙頻板基單極子天線，通過對(duì)天線研究、仿真優(yōu)化，得到了設(shè)計(jì)結(jié)果，并研制出天線實(shí)物。對(duì)天線進(jìn)行性能測(cè)試對(duì)比，最終的測(cè)試結(jié)果表明，該G形天線本身具有良好的輻射特性，在實(shí)現(xiàn)天線雙頻工作和保證天線增益盡可能大的情況下，實(shí)現(xiàn)了較大的波束寬度，大大增加了天線在雙頻點(diǎn)的阻抗帶寬，完全覆蓋了GSM上行和下行頻段以及NB-IoT網(wǎng)絡(luò)所在的兩個(gè)主要頻段的帶寬范圍，理論上可以應(yīng)用于射頻能量收集系統(tǒng)中整流天線。對(duì)于天線在實(shí)際系統(tǒng)應(yīng)用中的性能指標(biāo)還需要進(jìn)一步測(cè)試研究。