一種小型化雙向輻射超寬帶縫隙天線的設計

陳奮忠

(國家電子信息產(chǎn)品質量監(jiān)督檢驗中心，福建 福州 350015)

超寬帶天線的設計對于超寬帶通信系統(tǒng)的構建非常關鍵。目前，超寬帶天線已經(jīng)在航空、航天、民用及軍事領域得到了廣泛的使用，如衛(wèi)星通信系統(tǒng)、機載雷達、地質勘探及可穿透障礙物的成像系統(tǒng)等,這為超寬帶天線技術帶來更加寬廣的應用前景的同時，也對天線技術提出了更高的要求[1-4]。常見的超寬帶天線有漸變型的單極子或偶極子天線，如錐形天線、球形天線和平面圓形天線等，環(huán)形天線或縫隙天線，喇叭天線和反射面天線等[5-6]。Ellis 等[7]提出一種饋線和接地板輻射貼片處在不同面的天線結構；Saini 等[8]給出一種雙端口饋電的雙圓極化天線方案；Sadeghi 等[9]介紹一種接地板輻射貼片開螺旋槽實現(xiàn)圓極化設計方案；王敏等[10]設計一種在兩個圓形槽間開縱向插槽的天線結構。這些天線設計均獲得了較好的阻抗帶寬和軸比帶寬，但都是針對室外環(huán)境；An等[11]提出了一種應用于室內定位的寬頻帶天線，頻率范圍覆蓋到5.35 GHz，天線結構復雜且頻率范圍不足。

本文提出了一種小型化超寬帶雙向輻射天線，在共面波導饋電的基礎上，改進為雙面饋電，并在縫隙天線內加載多種形狀耦合枝節(jié)，可實現(xiàn)天線小型化和超寬帶，該天線結構簡單、工作頻率可覆蓋3.3～10.2 GHz，方便用于超寬帶室內定位。

1 天線設計

1.1 天線結構

圖1 天線結構圖

如圖1所示，天線為雙層結構，一面為環(huán)形縫隙天線的接地面，印制在尺寸為25 mm×25 mm×1.6 mm、相對介電常數(shù)為4.4、損耗角正切為0.002的FR4介質基板上。縫隙天線的接地面為一帶缺口的矩形環(huán)，印制于介質基片的正面。正面的矩形環(huán)接地面的尺寸為W0×L0，在其內部右側加載有倒L形導體枝節(jié)(淺灰色部分)和一矩形帶狀導體支節(jié)(W3×W2)，在內部左側加載有三角形導體填充，在縫隙內左上角，加載有斜向導體枝節(jié)(L1×W4),如圖1(a)所示。中心饋線對應于正面的矩形環(huán)缺口，印制于介質基片的背面，實現(xiàn)對縫隙天線的耦合饋電，如圖1(b)所示。

圖1中每一個天線結構參數(shù)都對天線性能有影響，天線結構參數(shù)經(jīng)電磁仿真軟件優(yōu)化，15個參數(shù)的優(yōu)化是一個綜合設計和折中取舍的過程，需要反復對比取最優(yōu)的一組數(shù)據(jù)，其主要結構參數(shù)優(yōu)化結果如表1所示，優(yōu)化參數(shù)將作為后續(xù)天線結構參數(shù)研究和討論的基礎。

表1 天線優(yōu)化結構尺寸

1.2 設計過程和原理

圖2 天線設計進程

圖3 3種結構模型S11曲線對比

圖2給出了天線的設計進程模型圖，模型1為基本的CPW饋電模型，見圖2(a)；模型2在此基礎上增加了縫隙內左側拐角處三角形填充，并在饋線附近環(huán)內側開了兩個矩形缺口，見圖2(b)；在參考文獻[7]的基礎上，在天線內部加載了枝節(jié)調節(jié)阻抗和軸比,設計了模型3,在縫隙天線內部饋線上端增加了倒L形枝節(jié)、縫隙右側橫向矩形枝節(jié)和左上角斜向枝節(jié)，見圖2(c)。

天線端口反射系數(shù)S11是天線饋電端口的反射波電壓與入射波電壓的比值， 設計要求S11≤-10 dB,S11越小，反射波幅值越小，也就是天線輻射出去的能量越多。圖3給出了圖2中3個模型對應的S11隨頻率f的變化曲線，從圖中可以看出，模型2的-10 dB帶寬遠大于模型1，而模型3的帶寬又遠大于模型2，表明模型3的結構可以顯著增加天線的阻抗帶寬。

1.3 參數(shù)設計和優(yōu)化

圖1中每個天線結構參數(shù)對天線性能都有影響，為取得最優(yōu)參數(shù)，采用電磁仿真軟件對參數(shù)進行優(yōu)化(15個參數(shù)的優(yōu)化是一個綜合設計和折中取舍的過程，需要反復對比取最優(yōu)的一組數(shù)據(jù))，優(yōu)化結果如表2所示。

表2 天線優(yōu)化結構尺寸

天線各參數(shù)對天線端口阻抗匹配性和輻射特性均有影響。采用電磁仿真軟件進行仿真分析，饋電端口設置為共面波導饋電。以3個關鍵參數(shù)對天線性能的影響為例，討論天線主要結構參數(shù)對天線端口反射系數(shù)S11的影響。分析時保證其他參數(shù)不變，每次分析1個參數(shù)。

圖4給出了饋線長度L2的變化對天線S11的影響，從圖中可以看出，當L2=10.8 mm時，天線帶寬較差，隨著L2增加,帶寬也在增加，當L2=12.8 mm時，天線處于最佳匹配狀態(tài)，阻抗匹配特性變好，整體頻帶范圍增加。但L2繼續(xù)增加，天線帶寬又下降。這是因為L2的增加，不僅增加了饋線電流的長度，同時也增加了饋線與矩形環(huán)內加載枝節(jié)的耦合，等效為耦合電容的增加，從而影響了阻抗匹配。

圖5給出了影響耦合饋線端口位置的W6對天線阻抗匹配的影響，從圖中可以看出，W6=18 mm時，天線阻抗匹配特性最好，S11<-10 dB覆蓋的帶寬最寬。

圖6研究了靠近饋線處環(huán)形介質基板上缺口寬度L4對天線S11的影響。從圖中可以看出，缺口的設置可以微調天線的阻抗匹配，L4的變化對中間頻段有些影響，對低頻段沒有明顯的影響，當L4=3 mm時，天線端口總體阻抗匹配效果最好。

圖5 饋電端口位置W6對天線S11的影響

圖6 靠近饋線處環(huán)形地上缺口寬度L4對天線S11的影響

2 實測結果

根據(jù)仿真優(yōu)化后的尺寸，制作了天線實物。用矢量網(wǎng)絡分析儀測試了天線S11參數(shù)，在微波暗室中測試了天線遠場方向圖，如圖7所示。

圖8為天線反射系數(shù)S11仿真結果和實測結果對比圖，從圖中可以看出，仿真和測試結果吻合較好，S11≤-10 dB的帶寬范圍為3.3～10.2 GHz。

圖7 天線測試場景圖

圖8 天線S11仿真和測試結果

圖9給出了該天線在頻率4.0 GHz時XOZ面仿真和實測增益圖。由圖9可見，天線仿真和實測方向圖吻合較好，天線輻射主方向為沿Z軸上下兩個方向，即可以實現(xiàn)雙向輻射。從圖9可以看出，在θ=0°時天線的測試增益為3.1 dBi，仿真增益為3.7 dBi；而在θ=180°時，天線的測試增益為3.5 dBi，仿真增益為3.7 dBi，測試與仿真的差異可能是由于材料損耗、加工誤差等原因造成。將雙向輻射天線安裝于室內墻壁內，可實現(xiàn)兩個房間內的寬帶通信。

圖9 頻率f =4.0 GHz時天線XOZ面上仿真和測試增益結果

3 結論

設計了一種邊長為25 mm的小型化超寬帶縫隙天線，在共面波導饋電的基礎上，改進為雙面饋電，雙層矩形結構，并印制于FR4介質基板的兩側，其中一面為環(huán)形接地面，內部加載有一倒L形導體枝節(jié)、橫向矩形導體枝節(jié)和斜向導體枝節(jié)，另一面天線饋線為一近似矩形導體枝節(jié)。 環(huán)形缺口距左側邊距18 mm，饋線長度為12.75 mm，斜向導體枝節(jié)尺寸為7 mm×5.5 mm。實測結果表明，天線S11≤-10 dB的頻率覆蓋范圍為3.3～10.2 GHz，為雙向輻射，兩個方向的增益分別為3.1 dBi和3.5 dBi。該天線結構簡單、易于制作，安裝于室內墻壁內，可應用于室內寬帶定位，實現(xiàn)兩個房間內的寬帶通信，還可應用于衛(wèi)星通信系統(tǒng)、機載雷達、地質勘探及可穿透障礙物的成像系統(tǒng)等多種領域的超寬帶通信。