一種應(yīng)用于無線體域網(wǎng)的小型超寬帶天線設(shè)計(jì)

李凱佳 ,杜成珠 ,焦哲晶 ,楊?；?/p>

(1.上海電力大學(xué) 電子與信息工程學(xué)院,上海 200082;2.中電科微波通信(上海)有限公司,上海 201802)

自2002 年美國聯(lián)邦通信委員會(huì)FCC(Federal Communications Commission)將3.1～10.6 GHz 劃歸民用,并定義絕對(duì)帶寬大于500 MHz 或者相對(duì)帶寬大于20%的系統(tǒng)為超寬帶系統(tǒng)后,超寬帶技術(shù)已經(jīng)獲得了極大的發(fā)展,超寬帶天線也隨之興起[1-5]。由于超寬帶通信的眾多優(yōu)點(diǎn),超寬帶天線目前在短距離無線通信、移動(dòng)通信和醫(yī)學(xué)成像、探地雷達(dá)等方面已有眾多應(yīng)用。

在超寬帶天線的設(shè)計(jì)中,一般擴(kuò)展天線帶寬的方法包括加載枝節(jié)、開槽、改變天線輻射貼片形狀和饋電方式等[6-10]。在文獻(xiàn)[5]中,作者通過一個(gè)準(zhǔn)圓環(huán)結(jié)構(gòu)加載一個(gè)L 型枝節(jié),將天線的帶寬展寬為3.1～10.6 GHz;文獻(xiàn)[6]討論了印刷單極子天線采用圓形、正六邊形等多種不同形狀的寬帶性能,分析了接地面挖槽對(duì)寬帶的影響,并對(duì)比發(fā)現(xiàn)天線采用共面波導(dǎo)饋電可以獲得更寬的帶寬。

文獻(xiàn)[11]提出了一種覆蓋2.8～12.0 GHz 頻段的三角形單極子分形天線,該天線阻抗帶寬達(dá)到124.3%,但是結(jié)構(gòu)較復(fù)雜,加工難度大。文獻(xiàn)[12]設(shè)計(jì)了一種地板開槽的超寬帶天線,天線帶寬為2.2～14.6 GHz(147.6%),但該單極子天線尺寸為32 mm×39 mm,尺寸較大,不利于天線集成化。文獻(xiàn)[13]提出了一種共面波導(dǎo)(CPW)饋電的超寬帶天線,該天線結(jié)構(gòu)較簡單,天線尺寸為48 mm×31.6 mm,尺寸過大,不適用于小型化的電路。

超寬帶天線的體積越小,意味著通信設(shè)備的其他元件能夠有更多的空間來排版布局。通常超寬帶天線小型化的方法有開槽和理想磁壁(Perfect Magnetic Wall,PMW)技術(shù)[11-15]。開槽能夠增加電流的有效流經(jīng)路徑,在改善天線低頻性能的同時(shí)能夠減小天線的體積。PMW 技術(shù)指沿天線的對(duì)稱軸線將天線等比例切除一部分,但是不會(huì)影響天線的性能[14-15]。文獻(xiàn)[15]設(shè)計(jì)了一種微帶縫隙寬帶天線,通過采用貼片對(duì)半切的方法,可使天線的寬度減小了一半,天線尺寸為12.4 mm×16 mm,但天線帶寬僅為1.975～3.875 GHz(64.96%),沒有實(shí)現(xiàn)超寬帶。

目前超寬帶天線除了可應(yīng)用于日常生活中的無線設(shè)備,如手機(jī)、平板電腦、智能手表等,還有大量用于健康監(jiān)測系統(tǒng)的可穿戴和植入設(shè)備,因此應(yīng)用于無線體域網(wǎng)的小型化超寬帶天線的設(shè)計(jì)引起了學(xué)者們的廣泛關(guān)注[4]。而具備柔性、可共形的天線非常適用于無線體域網(wǎng)中的可穿戴天線,基于柔性基板的超寬帶天線的設(shè)計(jì)也是研究的熱點(diǎn)。

基于上述背景,本文設(shè)計(jì)了兩款小型化超寬帶天線,一款采用常規(guī)的FR4 基板,另一款采用柔性的LCP 基板。初始天線為常規(guī)的超寬帶天線,初始天線切除一半得到的天線為半切天線,對(duì)半切天線采用等比例縮小技術(shù)得到最終設(shè)計(jì)的小型天線。采用FR4 和LCP 介質(zhì)板來設(shè)計(jì)并制作小型天線,并對(duì)比其性能。從仿真結(jié)果中可以看出,天線在小型化的過程中工作性能并沒有明顯的惡化,帶寬依然滿足要求。基于FR4 基板的天線的實(shí)測帶寬為2.27～11.9 GHz,而基于LCP 基板的天線的實(shí)測帶寬為2.8～9.6 GHz。此外,又利用HFSS 軟件仿真分析了兩種天線接近人體時(shí)S參數(shù)和SAR 值的變化情況。

1 天線設(shè)計(jì)及小型化過程

圖1 為初始天線的正面、側(cè)面和背面示意圖。此時(shí),初始天線的輻射貼片為一個(gè)圓片,為了增加電流流經(jīng)路徑,選擇在圓片上面開扇形槽1,寬度為W1,擴(kuò)展了低頻帶寬。為了進(jìn)一步擴(kuò)展天線的帶寬,天線的饋線采用阻抗?jié)u變的微帶線,并在地板上開矩形槽2,長度為L2,寬度為L1。

圖1 初始天線結(jié)構(gòu)示意圖Fig.1 Structure of primary antenna

之后,利用理想磁壁和等比例縮小技術(shù),將初始天線沿對(duì)稱軸切半后得到半切天線,將半切天線的長寬等比例縮小一半就得到本文最終所提出的小型超寬帶天線。圖2 為半切天線結(jié)構(gòu)示意圖,小型天線的結(jié)構(gòu)與半切天線相同,但天線的尺寸不一樣。

圖2 半切天線結(jié)構(gòu)示意圖Fig.2 Structure of half antenna

采用兩種介質(zhì)基板來設(shè)計(jì)小型天線,一種是相對(duì)介電常數(shù)為4.4、損耗角正切為0.02、厚度為0.8 mm的FR4 材料,另一種是相對(duì)介電常數(shù)為2.9、損耗角正切為0.002、厚度為0.1 mm 的LCP 材料。通過HFSS 進(jìn)行參數(shù)優(yōu)化后得到各種天線的結(jié)構(gòu)參數(shù),分別如表1 和表2 所示。基于FR4 基板的小型天線在實(shí)現(xiàn)了超寬帶頻段的同時(shí),其面積僅為同介質(zhì)板的初始天線的0.125 倍;而基于LCP 基板的超寬帶小型天線,其面積為同介質(zhì)板的初始天線的0.2 倍,兩類超寬帶天線均實(shí)現(xiàn)了小型化。

表1 天線的幾何尺寸比較(介質(zhì)板為FR4)Tab.1 Comparison of the geometric size of antennas(substrate is FR4) mm

表2 天線的幾何尺寸比較(介質(zhì)板為LCP)Tab.2 Comparison of the geometric size of antennas(substrate is LCP) mm

天線設(shè)計(jì)過程中的S11結(jié)果對(duì)比如圖3 所示,由圖3 可知,天線在小型化的過程中S11參數(shù)有一定的變化,但均可滿足超寬帶的要求。

圖3 天線小型化過程中的S11對(duì)比Fig.3 Comparison of S11 curves during antenna miniaturization

最后,基于表1、表2 優(yōu)化之后的天線參數(shù),將文中所提出的小型天線結(jié)構(gòu)加工制作出天線實(shí)物,天線實(shí)物如圖4 所示。

圖4 天線實(shí)物圖Fig.4 Fabricated antenna

2 仿真及實(shí)測結(jié)果

本文在天線的設(shè)計(jì)過程中使用了電磁仿真軟件Ansoft HFSS 13 對(duì)天線結(jié)構(gòu)及參數(shù)進(jìn)行了仿真優(yōu)化分析,并結(jié)合網(wǎng)絡(luò)矢量分析儀進(jìn)行實(shí)測的結(jié)果,綜合討論了天線的各項(xiàng)性能。

2.1 S 參數(shù)

通過對(duì)分別使用FR4 和LCP 介質(zhì)板的小型天線進(jìn)行仿真和實(shí)測,其回波損耗對(duì)比結(jié)果如圖5 所示。圖5(a)為FR4 基板天線仿真與實(shí)測S11對(duì)比圖,整體來看仿真和測試的回波損耗起伏趨勢基本一致,實(shí)測帶寬達(dá)到了2.27～11.9 GHz,相對(duì)帶寬為136%。圖5(b)為LCP 基板天線仿真與實(shí)測S11對(duì)比圖,工作帶寬為2.8～9.6 GHz,相對(duì)帶寬達(dá)到了110%。

圖5 天線的S11仿真與實(shí)測對(duì)比圖Fig.5 Comparison of S11 simulated and measurement results of the antenna

經(jīng)過上述分析,可以明顯看出,該天線采用FR4介質(zhì)板時(shí),雖然實(shí)測和仿真S11值有一些差別,但實(shí)測結(jié)果仍符合要求;使用LCP 介質(zhì)板時(shí),天線的實(shí)測帶寬變小,但相對(duì)帶寬仍可以滿足超寬帶的要求。因此,FR4 天線可面向普通低成本的超寬帶領(lǐng)域,而LCP 天線則由于其輕薄、可彎曲的特點(diǎn),主要面向無線體域網(wǎng)、可穿戴領(lǐng)域的應(yīng)用。

2.2 輻射方向圖

圖6 為小型天線分別使用FR4 和LCP 介質(zhì)板,在6 GHz 工作頻率時(shí)的仿真與實(shí)測輻射方向圖對(duì)比。圖6(a)為FR4 基板,圖6(b)為LCP 基板,從圖中可以看出E 面微微呈現(xiàn)“8”字形,在90°時(shí)向內(nèi)凹陷不太明顯;H 面的方向圖在30°和180°附近出現(xiàn)了凹陷,此處的輻射性能不太理想,但整體來看,天線基本可以滿足具有良好輻射特性的要求。仿真值與實(shí)測值趨勢相同。

圖6 天線的6 GHz 輻射方向圖仿真與實(shí)測結(jié)果Fig.6 Simulation and measurement results of radiation patterns of the antenna at 6 GHz

2.3 工作在人體組織上的性能分析

在天線面向穿戴式系統(tǒng)應(yīng)用中,通常采用比吸收率(Specific Absorption Ratio,SAR)定量衡量天線輻射能量對(duì)人體組織的影響,局部SAR 值的計(jì)算公式為:

式中:σ為導(dǎo)電率;E為電場強(qiáng)度的均方根值;ρ為人體組織密度。

人體組織模型由2 mm 的皮膚層,5 mm 的脂肪層和20 mm 的肌肉層組成,表3 列出了每一層材料的具體參數(shù)[3]。整個(gè)人體組織模型的尺寸為35 mm×20.5 mm×27 mm。在HFSS 下建立如圖7 所示的天線接近人體模型。

表3 人體組織參數(shù)[3]Tab.3 Human body tissue parameters[3]

圖7 天線接近人體模型Fig.7 The human body approaching the antenna model

將天線距離人體模型表面的距離作為變量H1(H1取4,5,6,7 mm),輸入功率為1 W,中心頻率取5 GHz,并進(jìn)行SAR 值仿真分析。表4 給出了不同距離下小型天線的最大SAR 值?？梢钥闯?隨著H1的增加,天線SAR 值逐漸降低。在10 g 組織的前提下,對(duì)于介質(zhì)板為FR4 的小型天線來說,H1≥5 mm 時(shí)SAR值低于2 W/kg 的歐盟標(biāo)準(zhǔn);對(duì)于介質(zhì)板為LCP 的小型天線來說,H1≥7 mm 時(shí),SAR 值符合歐盟標(biāo)準(zhǔn)。

表4 H1=4,5,6,7 mm 時(shí)最大SAR 值Tab.4 Maximum SAR values with H1=4,5,6,7 mm

圖8 和圖9 為在SAR 值均滿足歐盟標(biāo)準(zhǔn)下,H1分別為5 mm 和7 mm 時(shí),不同介質(zhì)板的小型天線接近人體模型的S11仿真結(jié)果與無人體組織模型時(shí)S11仿真對(duì)比圖。由圖可知,當(dāng)小型天線的介質(zhì)板為FR4 時(shí),模擬天線工作在人體附近的S11在5～9 GHz 時(shí)小于-10 dB;當(dāng)介質(zhì)板為LCP 時(shí),在6～7.5 GHz 和8.7～11.8 GHz 下,天線接近人體模型仿真得到的S11小于-10 dB。由比較可知,采用LCP 介質(zhì)板的天線在接近人體工作時(shí),性能影響相對(duì)較小,由于其輕薄可彎曲的特性,因此更適用于可穿戴領(lǐng)域的應(yīng)用。

圖8 使用FR4 天線有無人體組織模型仿真S11對(duì)比圖Fig.8 Comparison of S11 of the antenna based on FR4 with or without human tissue

圖9 使用LCP 天線有無人體組織模型仿真S11對(duì)比圖Fig.9 Comparison of S11 of the antenna based on LCP with or without human tissue

3 結(jié)論

通過采用等比例縮小技術(shù),設(shè)計(jì)了兩種可應(yīng)用于無線體域網(wǎng)的簡單小型化超寬帶天線。使用兩種材料FR4 和LCP 作為介質(zhì)板,天線尺寸分別為:25 mm×10.5 mm× 0.8 mm 和32 mm× 7.5 mm× 0.1 mm。FR4基板天線的實(shí)測帶寬為2.27～11.9 GHz,相對(duì)帶寬達(dá)到了134%;LCP 介質(zhì)板天線的實(shí)測帶寬為2.8～9.6 GHz,相對(duì)帶寬為110%。同時(shí),作者還研究了人體對(duì)超寬帶天線性能的影響,仿真的SAR 值均滿足歐盟標(biāo)準(zhǔn)。以LCP 超薄材料為介質(zhì)板的天線為可穿戴天線的設(shè)計(jì)提供了一個(gè)思路,該天線亦適用于結(jié)構(gòu)緊湊的通信設(shè)備,也可作為天線陣和MIMO 天線的天線單元。