新型雙頻全向Alford環(huán)微帶天線

許唐紅，詹珍賢，胡帥帥

(中國電子科技集團(tuán)公司第三十八研究所，安徽 合肥 230088)

0 引言

隨著用戶對各種無線通信系統(tǒng)體驗(yàn)需求的進(jìn)一步提高，高質(zhì)量的通信變得至關(guān)重要。利用MIMO極化分集提高通信的傳輸質(zhì)量是一種可靠的途徑[1-2]，極化分集可降低天線的空間和開銷[3]。由于電磁輻射波在復(fù)雜傳播路徑中經(jīng)過反射或者散射，極化方式發(fā)生改變，極化分集可以部分補(bǔ)償手持終端的隨機(jī)極化對通信性能的影響。

無線通信的快速發(fā)展促進(jìn)了多種類、多頻段WLAN天線[4-5]的研究，例如縫隙天線[6]、偶極子天線[7]、貼片天線[8]和單極子天線[9-10]等。文獻(xiàn)[11]中設(shè)計(jì)了一種垂直極化雙頻單極子WLAN天線，在H面實(shí)現(xiàn)了全向輻射。在MIMO系統(tǒng)極化分集的需求中，除了H面全向天線外，E面全向輻射天線也同樣重要，但目前很多研究都是針對H面全向輻射天線。因此，本文提出并設(shè)計(jì)了一款E面全向輻射天線，該天線同樣具備雙頻工作特性。

Alford環(huán)天線[12]于1940年由Alford首次提出，該天線能產(chǎn)生單頻E面全向的方向圖，隨后有改進(jìn)型[13]、2個(gè)偶極子[14]、4個(gè)偶極子[15-16]所構(gòu)成的單頻Alford環(huán)天線相繼出現(xiàn)，不圓度減小，全向性更好。本文在4個(gè)偶極子Alford環(huán)單頻天線的基礎(chǔ)之上，創(chuàng)新性地增加了內(nèi)部耦合環(huán)結(jié)構(gòu)，從而實(shí)現(xiàn)天線雙頻E面全向輻射的設(shè)計(jì)要求。與U型槽加載的貼片天線[17]相比，該天線在結(jié)構(gòu)和饋電的設(shè)計(jì)上均得到簡化。

1 環(huán)天線輻射原理

Alford天線的本質(zhì)是環(huán)形天線，環(huán)形天線有許多不同的形式，如矩形、方形、三角形、菱形、橢圓形和圓形等。采用環(huán)形天線實(shí)現(xiàn)E面全向天線是一個(gè)很好的選擇。E面全向天線的全向性能，可以通過環(huán)上電流幅度均勻度來調(diào)節(jié)，幅度越均勻，天線的全向性能越好，不圓度越小。

傳統(tǒng)環(huán)形天線有電小環(huán)和電大環(huán)。當(dāng)圓環(huán)的半徑r很小、周長C=2πr小于等于1/5個(gè)波長時(shí)，則稱為小環(huán)天線。電小環(huán)電流幅度均勻，但是它輻射電阻較小，電抗較大，難以與饋電系統(tǒng)匹配。當(dāng)環(huán)的周長C可與波長相比擬時(shí)，則稱為大環(huán)天線。電大環(huán)天線的輻射電阻和電抗容易匹配饋電系統(tǒng)，但它的電流路徑長，分布不均勻，方向圖的不圓度增大。為了解決上面二者的矛盾，Alford提出了Aflord環(huán)天線，它能很好地實(shí)現(xiàn)水平極化全向輻射，且易于匹配。

與Alford環(huán)微帶天線[18-19]的基本原理類似，常見結(jié)構(gòu)及電流分布如圖1所示?！癦”型微帶分別刻印在介質(zhì)基板的兩面。兩平行邊稱為“翼”，斜邊稱為“臂”，在上下臂的中間采用通孔，用SMA同軸連接器對天線底部饋電。由于介質(zhì)基板兩層的“臂”重疊，故電流分布等幅反相，輻射相互抵消不會(huì)形成遠(yuǎn)場輻射方向圖。上下兩層的“翼”，構(gòu)成一個(gè)方形環(huán)。環(huán)的周長為一個(gè)介質(zhì)波長，一個(gè)“翼”約為1/4個(gè)介質(zhì)波長。Alford環(huán)天線方向圖的全向性與環(huán)形上電流分布的均勻度有關(guān)。介質(zhì)基板介電常數(shù)、介質(zhì)基板厚度、“翼”和“臂”的長度和寬度對天線的工作頻率和方向圖特性起關(guān)鍵作用。

圖1 單頻Alford環(huán)天線電流分布

2 天線設(shè)計(jì)

2.1 天線結(jié)構(gòu)

本文設(shè)計(jì)的雙頻天線使用F4B-2介質(zhì)基板，相對介電常數(shù)為2.65，損耗角正切為0.000 9，基板厚度為1.5 mm。該天線外形結(jié)構(gòu)如圖2所示，整個(gè)天線的大小為50 mm×50 mm。天線通過50 Ω SMA同軸連接器實(shí)現(xiàn)底部饋電，連接上下微帶線。外環(huán)輻射結(jié)構(gòu)周長約為2λ1，由4個(gè)半波偶極子構(gòu)成，其中波長λ1是2.45 GHz對應(yīng)的介質(zhì)波長。天線的優(yōu)化參數(shù)為：外環(huán)半徑R1，外環(huán)輻射結(jié)構(gòu)、內(nèi)環(huán)輻射結(jié)構(gòu)以及匹配節(jié)的寬度同為W2，內(nèi)環(huán)相鄰諧振臂的間距為G，內(nèi)環(huán)半徑R2，匹配節(jié)長度L2。

圖2 雙頻Alford天線透視和側(cè)面外形

經(jīng)過理論計(jì)算和迭代優(yōu)化后的各參數(shù)詳細(xì)數(shù)值如表1所示。

表1 天線物理尺寸 mm

2.2 參數(shù)分析

該天線關(guān)鍵技術(shù)在于雙頻全向結(jié)構(gòu)的簡化設(shè)計(jì)與實(shí)現(xiàn)。通過新增內(nèi)耦合環(huán)作為高頻輻射結(jié)構(gòu)，附加微帶枝節(jié)用于阻抗匹配調(diào)節(jié)，從而實(shí)現(xiàn)雙頻特性，外環(huán)和內(nèi)環(huán)諧振點(diǎn)分別為2.45 GHz，5.225 GHz。

天線仿真優(yōu)化采用時(shí)域有限差分仿真軟件(CST)。為了獲得較好的回波損耗，天線采用3階阻抗匹配網(wǎng)絡(luò)進(jìn)行設(shè)計(jì)：第1階是外環(huán)天線饋電端口與內(nèi)環(huán)天線間的匹配，通過W2進(jìn)行調(diào)節(jié)；第2階是內(nèi)環(huán)天線的匹配，通過附加微帶枝節(jié)長度L2進(jìn)行調(diào)節(jié)；第3階是內(nèi)環(huán)至天線底饋端口的匹配，主要通過W1進(jìn)行調(diào)節(jié)以適配50 Ω的SMA同軸連接器。

在迭代優(yōu)化過程中，主要通過調(diào)節(jié)L1，W1，L2，R2來獲得良好的S11。優(yōu)化結(jié)果顯示，微帶線的寬度W1主要影響高頻S11的幅度，對諧振頻率影響不大。高頻諧振點(diǎn)主要通過L1，L2，R2進(jìn)行調(diào)節(jié)，其中L1增大將提高高頻諧振頻率；L2，R2增大將降低高頻諧振頻率。內(nèi)環(huán)相鄰諧振臂的間距設(shè)置為2.5 mm，±10%的間距變化對天線性能影響不大，降低了對天線加工精度的需求。

天線包含4個(gè)平行帶線，呈軸對稱分布的平行帶線表面電流幅度相同，但相位相反，避免了帶線產(chǎn)生的能量輻射。內(nèi)外環(huán)表面電流分布如圖3所示，當(dāng)天線工作在2.45 GHz時(shí)，表面電流主要分布在天線的外環(huán)輻射結(jié)構(gòu)上，工作在5.225 GHz時(shí)表面電流主要分布在天線的內(nèi)環(huán)輻射結(jié)構(gòu)上。

圖3 內(nèi)外環(huán)表面電流分布

天線在2.45 GHz和5.225 GHz的H面和E面仿真方向圖如圖4所示，可以看出，該天線具備良好的E面雙頻全向輻射特性。

圖4 仿真方向圖

3 結(jié)果與分析

對優(yōu)化后的天線進(jìn)行加工和測試，使用安捷倫矢量網(wǎng)絡(luò)分析儀N5230A對天線的S11進(jìn)行測試，天線S11實(shí)測仿真對比圖和天線實(shí)物如圖5所示。實(shí)測結(jié)果表明，天線S11在2.38～2.54 GHz和5.00～5.50 GHz頻段均優(yōu)于10 dB。實(shí)測和仿真結(jié)果基本吻合。

在微波暗室對加工后的天線進(jìn)行了主極化和交叉極化的方向圖測試。2.45 GHz和5.225 GHz的天線實(shí)測方向圖如圖6所示。

圖6 實(shí)測H面和E面測試方向圖

從圖6中可以看出，該天線的方向圖和單極子天線的方向圖基本相同，但該天線極化具有水平極化特性，與單極子天線E面和H面互換。天線E面(X-Y面)全向輻射，E面交叉極化大于10 dB。在2.45 GHz和5.225 GHz測試增益分別為1.05 dBi和0.83 dBi。

4 結(jié)束語

本文提出了一種新型雙頻E面全向Alford環(huán)微帶天線結(jié)構(gòu)，工作頻段涵蓋802.11a/b，可良好匹配極化分集技術(shù)，并應(yīng)用于無線局域網(wǎng)多輸入多輸出(MIMO)系統(tǒng)中。同時(shí)，該雙頻天線結(jié)構(gòu)簡潔，通過快速調(diào)整內(nèi)外環(huán)尺寸等參數(shù)，方便轉(zhuǎn)化為其他頻段的天線應(yīng)用，為雙頻全向天線提供一個(gè)新的設(shè)計(jì)思路。