基于諧振器加載的雙頻平面天線的設(shè)計(jì)

彭 麗，趙顯超

(中國(guó)人民解放軍93160部隊(duì)，北京100071)

0 引言

隨著無線通信系統(tǒng)的高速發(fā)展，天線作為無線電系統(tǒng)中重要組成部分[1,2]，是通信、雷達(dá)、導(dǎo)航、廣播、遙感等現(xiàn)代無線通信系統(tǒng)中不可缺少的部件。為了滿足多元化的無線通信業(yè)務(wù)的需求，不同工作頻段的通信系統(tǒng)悄然出現(xiàn)。因此，能夠滿足多模式、多頻段的平面終端天線，成為了解決上述問題的主要途徑。

目前國(guó)內(nèi)外報(bào)道了許多具有不同結(jié)構(gòu)的多頻平面天線[3-6]，例如，采用傾斜的D形條[7]、加載2個(gè)不同尺寸的堆疊T形[8]、加載開口環(huán)[9]、印刷雙曲折線[10]等。 但是，在實(shí)際應(yīng)用中，這些設(shè)計(jì)大多數(shù)都是大尺寸或復(fù)雜的結(jié)構(gòu)。近些年來，近距近場(chǎng)加載技術(shù)為雙頻天線提供了新穎的設(shè)計(jì)思路。在文獻(xiàn)[11]中，提出了一種Z形曲折線作為近場(chǎng)加載元件的雙頻單極子天線。在文獻(xiàn)[12]中，提出了一種采用雙電容負(fù)載環(huán)(CLL)作為近場(chǎng)加載元件的雙頻單極子天線。在文獻(xiàn)[13]中，通過加載埃及戰(zhàn)斧近場(chǎng)元件，實(shí)現(xiàn)天線的雙頻特性。

本文在傳統(tǒng)的印刷單極子天線基礎(chǔ)上，創(chuàng)新地在其近場(chǎng)加載了2個(gè)折疊線階躍阻抗諧振器(SIR)，通過之間相互耦合，引入了2個(gè)諧振頻率，從而實(shí)現(xiàn)了雙頻全向輻射的設(shè)計(jì)要求。與雙曲折線加載的天線相比，該天線簡(jiǎn)化了結(jié)構(gòu)和饋電的設(shè)計(jì)。

1 天線結(jié)構(gòu)的分析和設(shè)計(jì)

1.1 天線結(jié)構(gòu)

折疊線SIR加載雙頻平面天線的幾何結(jié)構(gòu)，如圖1所示。該天線由一個(gè)驅(qū)動(dòng)印刷單極子和2個(gè)不同的折疊線SIR組成。這些折疊線SIR分別印刷在基板的頂層和底層。驅(qū)動(dòng)印刷單極子位于基板的中間層。整個(gè)天線通過微帶線與50 Ω同軸連接器相連。整個(gè)天線結(jié)構(gòu)印刷在介電常數(shù)εr=3.38、損耗角正切tanδ=0.002 7的Rogers RO4003C基片上。

(a) 天線正面

天線的具體結(jié)構(gòu)尺寸參數(shù)如表1所示。

表1 天線的尺寸參數(shù)

1.2 天線的等效電路及分析

提出的折疊線SIR加載雙頻平面天線的基本原理是通過在天線的近距近場(chǎng)加載2個(gè)不同的折疊線SIR作為電抗加載元件來引入2種不同的諧振模式。為了了解所述天線的機(jī)理，采用了如圖2所示的等效電路。

圖2 天線的等效電路模型

圖2給出了由LC-J-LCR網(wǎng)絡(luò)表示的雙頻平面天線的等效電路。驅(qū)動(dòng)印刷平面單極子由La，Ca和Ra組成的有耗并聯(lián)諧振器表示。這里，輻射電阻用Ra表示。同時(shí)，折疊線SIR1和折疊線SIR2分別由Lr，Cr，L′r和C′r組成的并聯(lián)諧振電路等效地表示。驅(qū)動(dòng)印刷單極子天線與折疊線SIR1和折疊線SIR2通過寬邊耦合(上下的層間寬邊平行線耦合)，可以看作是導(dǎo)納倒相器J1和J2。

在設(shè)計(jì)中，2個(gè)不同的折疊線SIR作為電抗加載元件。由于折疊線SIR2具有與折疊線SIR1相似的結(jié)構(gòu)，本文僅對(duì)折疊線SIR1進(jìn)行了分析。折疊線SIR及其等效電路如圖3所示。

圖3 折疊線SIR結(jié)構(gòu)及等效電路

折疊線SIR可以看作是2個(gè)并聯(lián)的基本SIR，其等效電路由2個(gè)導(dǎo)納組成，用Yis表示[14]：

(1)

式中，Z1和Z2是微帶線的特性阻抗；而θ1和θ2分別是微帶線的電長(zhǎng)度。

從圖3可以看出，Yb可以從一對(duì)并聯(lián)導(dǎo)納Yis中獲得，

(2)

同樣，也可以得到Y(jié)′b：

(3)

式中，Z′1，Z′2，θ′1和θ′2分別是特性阻抗和電長(zhǎng)度。

根據(jù)平行耦合濾波器設(shè)計(jì)的基本知識(shí)，驅(qū)動(dòng)印刷單極子與折疊線SIR之間的耦合等效于導(dǎo)納倒相器J。折疊線SIR可以等效為L(zhǎng)r和Cr表示的無損耗并聯(lián)LC諧振網(wǎng)絡(luò)。

根據(jù)導(dǎo)納倒相器J的應(yīng)用[15]，可以建立導(dǎo)納關(guān)系：

。

(4)

同樣，可以得到：

(5)

從并聯(lián)導(dǎo)納Ya和Y′a來看，YA如下：

。

(6)

圖2中驅(qū)動(dòng)印刷單極子的導(dǎo)納Yc(即無折疊線SIR加載)可以通過CST STUDIO SUITE三維電磁仿真軟件提取。Yc可得到：

Yc=Gc+jBc，

(7)

式中，Gc和Bc分別是導(dǎo)納Yc的實(shí)部和虛部。

最終得到輸入導(dǎo)納Yin為：

。

(8)

為了便于分析，由輸入導(dǎo)納Yin的倒數(shù)得到輸入阻抗Zin:

(9)

式(7)中,導(dǎo)納Yc通過仿真提取得到，導(dǎo)納YA和Yin由式(6)和式(8)得到。為了方便分析，阻抗ZA，Zc和Zin(導(dǎo)納的倒數(shù))將用于史密斯阻抗圖分析。

阻抗ZA，Zc和Zin的計(jì)算結(jié)果如圖4所示。阻抗ZA的虛部在2～4.5 GHz頻段為負(fù)，即阻抗ZA為電容性。阻抗ZA有2個(gè)峰值，分別是(39.42-j275.76)Ω(@3.1 GHz)和(18.17-j189.08)Ω(@4.2 GHz)。從圖4還可以看出，驅(qū)動(dòng)印刷單極子(即無折疊線SIR加載)的諧振頻率是4.0 GHz。輸入阻抗Zc與ZA并聯(lián)，可獲得2個(gè)諧振頻率，分別為2.6,3.5 GHz。

在近年發(fā)生的余振東案、楊秀珠案、高山案等案件中，一個(gè)共同的特點(diǎn)是提前轉(zhuǎn)移贓款，腐敗分子潛逃出境的攜款數(shù)額，從過去的幾萬、幾十萬發(fā)展到現(xiàn)在的幾百萬、上千萬，甚至上億。腐敗資產(chǎn)轉(zhuǎn)移海外的方式日趨多樣化，如在境外受賄、借商人之手直接轉(zhuǎn)移出境、通過地下錢莊洗錢出境、通過涉外公司在海外隱秘“截流”、在海外虛假投資等。例如，通過地下錢莊轉(zhuǎn)移資金逃脫了正常的資金外流監(jiān)管，把不合法的錢財(cái)通過隱蔽的手段轉(zhuǎn)移到海外，然后再通過境外機(jī)構(gòu)以合法的形式存到銀行;以企業(yè)購買設(shè)備名義，把巨額資金打入一個(gè)虛擬企業(yè)的賬戶上，然后再把這些錢轉(zhuǎn)移到以親屬名義開設(shè)的銀行賬戶上，這種方式具有較強(qiáng)的迷惑性，往往比較容易得手。［3］

圖4 天線的匹配過程

1.3 天線參數(shù)分析

由式(9)可知，由于驅(qū)動(dòng)印刷單極子與折疊線SIR之間的耦合，輸入阻抗Zin會(huì)發(fā)生變化。在確定驅(qū)動(dòng)印刷單極子和諧振器時(shí)，輸入阻抗Zin隨導(dǎo)納倒相器J的變化而變化。根據(jù)文獻(xiàn)[16]，驅(qū)動(dòng)印刷單極子與折疊線SIR之間的耦合由它們之間的距離決定，這也相當(dāng)于導(dǎo)納倒相器J。因此，圖2中的J1和J2由圖1中的物理尺寸H1和H2確定。然后，利用CST STUDIO SUITE三維電磁仿真軟件對(duì)預(yù)期現(xiàn)象進(jìn)行了仿真和分析。

當(dāng)只加載折疊線SIR1(即無折疊線SIR2加載)時(shí)，圖5顯示了仿真的反射系數(shù)隨H1的不同而變化。在仿真中，其他尺寸參數(shù)保持如表1所示。

圖5 仿真的反射系數(shù)隨H1變化(無折疊線 SIR2)

從圖5可以看出，天線的諧振頻率隨著H1的減小而逐漸減小。也就是說，隨著驅(qū)動(dòng)印刷單極子天線和折疊線SIR1之間的距離減小，耦合強(qiáng)度增加，天線的諧振頻率降低，這與Cohn的結(jié)果一致[17]。圖5還指出了傳統(tǒng)印刷單極子天線(無電抗加載元件加載)的反射系數(shù)。與傳統(tǒng)的印刷單極子天線相比，折疊線SIR1加載天線的諧振頻率明顯降低。

圖6給出只加載折疊線SIR2(即無折疊線SIR1加載)時(shí)，仿真的反射系數(shù)隨不同H2而變化。在仿真中，其他尺寸參數(shù)保持如表1所示。

圖6 仿真的反射系數(shù)隨H2變化(無折疊線SIR1)

從圖6可以看出，天線的諧振頻率隨著H2的減小而逐漸減小。也得出了類似的結(jié)論。隨著驅(qū)動(dòng)印刷單極子與折疊線SIR2之間的耦合距離減小(即耦合強(qiáng)度增加)，天線的諧振頻率降低。

折疊線SIR1和折疊線SIR2同時(shí)加載。為了逐步說明這一現(xiàn)象，首先仿真了反射系數(shù)隨H1(H2是固定的)的變化，如圖7所示。在仿真中，其他尺寸參數(shù)保持如表1所示。

圖7 仿真的反射系數(shù)隨H1變化(H2固定)

圖8顯示了隨著不同H2(H1是固定的)而變化的反射系數(shù)，這也說明了上述現(xiàn)象。在仿真中，其他尺寸參數(shù)保持如表1所示。

圖8 仿真的反射系數(shù)隨H2變化(H1固定)

定義H1=H2。如圖9所示，反射系數(shù)隨H1和H2而變化。隨著H1和H2的減小，2種諧振頻率都逐漸減小。在仿真中，其他尺寸參數(shù)保持如表1所示。

圖9 仿真的反射系數(shù)隨H1和H2變化(H1=H2)

2 測(cè)試及結(jié)果分析

加工并測(cè)試了折疊線SIR加載雙頻印刷單極子天線的樣品并焊接KFD20型SMA接頭，折疊線SIR加載雙頻印刷單極子天線的照片如圖10所示。

圖10 天線加工實(shí)物

采用Keysight E5071C矢量網(wǎng)絡(luò)分析儀測(cè)量天線的反射系數(shù)，利用SATIMO近場(chǎng)天線測(cè)量系統(tǒng)測(cè)量天線的輻射方向圖，如圖11和12所示。

圖11 天線反射系數(shù)實(shí)測(cè)現(xiàn)場(chǎng)

圖12 天線輻射方向圖實(shí)測(cè)現(xiàn)場(chǎng)

仿真與實(shí)測(cè)反射系數(shù)的比較如圖13所示。

圖13 仿真與測(cè)試的天線的反射系數(shù)

從圖13中可以看出,該平面天線工作在2.45，3.48 GHz，在工作頻點(diǎn)處的反射系數(shù)約-14.98，-14.65 dB，具有良好的雙頻特性。

雙頻平面天線的仿真和測(cè)量增益如圖14所示。從結(jié)果可以看出，天線在工作頻率范圍內(nèi)獲得了穩(wěn)定的增益。同時(shí)，有2個(gè)增益峰值1.9，1.2 dBi，這與仿真結(jié)果一致性很好。

圖14 仿真與測(cè)試的天線增益

折疊線SIR加載雙頻平面天線在工作頻率范圍內(nèi)仿真的輻射效率的曲線如圖15所示。在圖15中，測(cè)試的輻射效率曲線上有2個(gè)峰值，分別為93%，87%。

圖15 天線的輻射效率

需要注意的是，在高頻下，增益和效率會(huì)降低。同樣，同軸連接器的焊接精度和基板的介電常數(shù)的變化可能導(dǎo)致仿真與測(cè)量結(jié)果之間的微小偏差。

圖16和圖17分別示出了所述天線在2.45，3.48 GHz下的E面和H面輻射方向圖。顯然，所述天線具有良好的全向輻射方向圖和低交叉極化性能。

(a) E面

(a) E面

在2.45，3.48 GHz的輻射方向圖中，交叉極化水平約為-25 dB。仿真結(jié)果與實(shí)測(cè)值存在一定的偏差，這不僅與同軸連接器焊接精度和基板介電常數(shù)的變化有關(guān)，還與基板兩層之間使用的膠水有關(guān)。

3 結(jié)束語

本文提出了一種基于折疊線SIR加載的雙頻平面天線。該天線的雙頻中心頻率為2.45，3.48 GHz，具有良好的輻射效率，可應(yīng)用于GSM、WiFi等無線通信設(shè)備。同時(shí)，該雙頻平面天線結(jié)構(gòu)簡(jiǎn)單，通過快速調(diào)整諧振器與單極子天線之間的耦合距離，可方便地改變天線的諧振頻率，為雙頻全向平面天線的設(shè)計(jì)提供了一個(gè)新穎的設(shè)計(jì)思路。