用于ISM頻段的雙頻單極子天線

王 玲，張文梅，韓麗萍

(山西大學(xué) 物理電子工程學(xué)院，山西 太原 030006)

0 引 言

隨著無線通信技術(shù)的迅猛發(fā)展，人們對通信需求的多樣化造成了多種通信技術(shù)和多種標(biāo)準(zhǔn)共存的現(xiàn)象，使無線通信系統(tǒng)對雙頻或多頻帶天線的需求日益增加.雙頻單極子天線可以增加信道數(shù)量，緩解無線通信頻譜資源的緊張狀況，并且具有成本低、體積小、易于制造等特點(diǎn)，受到了許多研究者的廣泛關(guān)注.

目前，天線實(shí)現(xiàn)雙頻的方式有：縫隙技術(shù)[1]、多枝節(jié)技術(shù)[2]和耦合技術(shù)[3]等.文獻(xiàn)[1]提出了一個倒錐形平面單極子天線，通過在輻射貼片刻蝕3對相互對稱的縫隙，改變輻射貼片表面的電流分布，實(shí)現(xiàn)了雙頻帶特性；文獻(xiàn)[4]通過引入圓形槽使多邊形貼片天線工作在GSM雙頻段；文獻(xiàn)[5] 通過在圓形貼片挖兩個弧形槽，使天線實(shí)現(xiàn)雙頻工作；文獻(xiàn)[2]通過在三角形輻射單元上附加U型枝節(jié)，使天線產(chǎn)生兩條電流路徑，從而實(shí)現(xiàn)雙頻特性；文獻(xiàn)[6]通過在矩形環(huán)輻射單元上加載叉形條帶來獲得雙頻特性；文獻(xiàn)[7]通過在折疊輻射貼片上加載L型枝節(jié)，使天線覆蓋了5G和Wi-Fi兩個工作頻段；文獻(xiàn)[3]通過在矩形輻射單元的背面加載梯形導(dǎo)體平面，形成輻射貼片和寄生單元之間的相互耦合，使天線產(chǎn)生了新的諧振頻率；文獻(xiàn)[8]在天線的接地板引入U型寄生單元使天線產(chǎn)生雙頻特性；文獻(xiàn)[9]通過在接地板加載T型寄生單元使天線在MedRadio頻段引入了新的諧振，并且通過加載F型寄生單元在ISM頻段引入額外的諧振，從而擴(kuò)展了高頻處的帶寬；此外，Wen-Shan Che等人通過在寬帶天線中引入陷波結(jié)構(gòu)來實(shí)現(xiàn)雙頻[10].

本文設(shè)計了一種用于ISM頻段的雙頻單極子天線.該天線采用共面波導(dǎo)的饋電方式，通過在輻射貼片和饋線上分別刻蝕U型和S型縫隙產(chǎn)生寬阻帶，使天線產(chǎn)生雙頻特性.天線可以工作在2.45/5.8 GHz ISM的兩個頻段內(nèi)，且具有良好的輻射特性.

1 天線設(shè)計

天線的結(jié)構(gòu)如圖1 所示.

圖1 天線結(jié)構(gòu)示意圖Fig.1 Configuration of the antenna

天線采用共面波導(dǎo)(CPW)的饋電方式，鏟形輻射單元，接地板和饋線都印刷在介質(zhì)基板的同一側(cè).輻射單元的基本結(jié)構(gòu)由半圓形和矩形金屬貼片組成.通過在輻射貼片和饋線上分別刻蝕一個U型和S型縫隙，天線在2.7～5.19 GHz產(chǎn)生一個寬阻帶，從而實(shí)現(xiàn)雙頻帶特性.其中，U型和S型縫隙的長度分別對應(yīng)于陷波中心頻率的1/2波導(dǎo)波長.設(shè)計的天線工作頻率為2.45 GHz和 5.8 GHz，利用三維電磁仿真軟件HFSS進(jìn)行仿真.選用相對介電常數(shù)為4.4，厚度為1.6 mm的FR4介質(zhì)基板，天線各部分尺寸如表1 所示.

表1 天線結(jié)構(gòu)參數(shù)Tab.1 Parameters of antenna structure

圖2(a)給出了雙頻天線的設(shè)計流程，其中天線 Ⅰ 為普通鏟形單極子天線；天線 Ⅱ 是加載有U型縫隙的鏟形單極子天線；天線 Ⅲ 為本文提出的雙頻天線.圖2(b)為不同天線結(jié)構(gòu)的反射系數(shù)曲線.由圖2 可見，天線 Ⅰ 的阻抗帶寬為2.45～6.5 GHz；加載U型縫隙的天線 Ⅱ 在3 GHz產(chǎn)生一個陷波，天線工作在2.5 GHz和5 GHz兩個頻段，但是高頻段包含WiMAX波段的頻率范圍；天線 Ⅲ 通過在饋線上增加一個S型縫隙，5 GHz處引入的陷波與 3 GHz 的陷波產(chǎn)生一個寬阻帶，天線實(shí)現(xiàn)了良好的雙頻特性，覆蓋了2.420～2.483 5 GHz 以及 5.725～5.875 GHz兩個ISM波段.

圖2 天線設(shè)計流程及S參數(shù)Fig.2 Design evolution of antenna and simulated S-parameters

為了進(jìn)一步說明天線的工作原理，圖3 給出了雙頻天線的表面電流分布情況.從圖3(a)和圖3(d)中可以看出，在通帶 2.45 GHz 和 5.8 GHz 處，電流主要集中在饋線和輻射單元邊緣，能量通過鏟形輻射單元進(jìn)行輻射；從圖3(b)和3(c)觀察到，在陷波頻率3 GHz和5 GHz處，電流主要集中在U型和S型縫隙的周圍，而輻射單元上的電流很小，導(dǎo)致電磁能量無法正常輻射，形成陷波.

圖3 天線表面電流分布Fig.3 Surface current distributions of antenna

2 參數(shù)分析

通過對天線進(jìn)行敏感性分析，發(fā)現(xiàn)U型縫隙的長度lnotch1、S型縫隙的長度lnotch2以及接地板高度lg對天線性能的影響較大.在分析某一參數(shù)對天線性能的影響時，其它參數(shù)均保持不變.圖4 給出了U型縫隙長度lnotch1變化時天線的反射系數(shù)曲線.從圖4中可以看出，隨著lnotch1的增加，天線在低頻處的諧振頻率逐漸降低，高頻處的諧振頻率基本不變.

圖4 lnotch1對反射系數(shù)的影響Fig.4 Reflection coefficients with different lnotch1

圖5 lnotch2對反射系數(shù)的影響Fig.5 Reflection coefficients with different lnotch2

圖5 為S型縫隙的長度lnotch2對天線反射系數(shù)的影響.由圖5可知，隨著lnotch2的減小，天線在高頻處的諧振頻率逐漸變大，而低頻處的諧振頻率保持不變.圖6 給出了接地板高度lg對天線反射系數(shù)的影響.由圖6可知，隨著lg的減小，天線由兩個阻帶逐漸合并成一個寬阻帶，當(dāng)lg=9 mm時，天線的工作帶寬可以覆蓋ISM頻段.

圖6 lg對反射系數(shù)的影響Fig.6 Effect of lg on reflection coefficients

3 仿真結(jié)果與討論

圖7 給出了雙頻天線的反射系數(shù)曲線.

圖7 雙頻天線的S參數(shù)Fig.7 S-parameters of dual-band antenna

由圖7 中可以看出，天線的-10 dB帶寬分別為2.10～2.77 GHz和5.19～6.20 GHz,相對帶寬分別為25.4%和18.2%，能夠覆蓋ISM頻段，實(shí)現(xiàn)了天線的雙頻帶設(shè)計.

圖8 是天線仿真輻射方向圖.從圖8中可以看出，E面的方向圖基本呈“8”字型，H面呈現(xiàn)良好的全向性.天線在2.45 GHz和 5.8 GHz 處的峰值增益分別為0.42 dB和2.91 dB，滿足無線通信的基本要求.

4 結(jié) 論

本文設(shè)計了一個用于ISM頻段的雙頻單極子天線.通過在輻射貼片和饋線上刻蝕縫隙產(chǎn)生寬阻帶來實(shí)現(xiàn)雙頻帶特性.仿真結(jié)果表明，該天線可以覆蓋2.45/5.8 GHz ISM波段.具有較好的輻射特性，并且結(jié)構(gòu)簡單，易于加工，方便與電路集成，滿足ISM頻段的無線通信.