一種基于多模諧振的寬帶貼片天線設(shè)計(jì)

王 浩， 張 旭， 裴立力， 陳新偉， 韓國瑞

(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)的發(fā)展， 寬帶無線接入技術(shù)因其高傳輸速率、 大容量、 低功耗等眾多優(yōu)點(diǎn),成為未來無線通信發(fā)展的熱點(diǎn). 而寬帶天線作為無線通信系統(tǒng)中一種發(fā)射或接收電磁波的關(guān)鍵器件,受到了廣泛的關(guān)注和研究.

目前， 寬帶天線的設(shè)計(jì)方法大致分為4種： 第1種是采用一個(gè)或多個(gè)寄生貼片， 在頻帶內(nèi)形成多個(gè)寄生諧振頻率實(shí)現(xiàn)帶寬的展寬； 文獻(xiàn)[1] 通過在饋電貼片的上方放置一個(gè)寄生貼片， 從而引入新的諧振頻率， 實(shí)現(xiàn)了7%的阻抗帶寬. 文獻(xiàn)[2] 通過在兩個(gè)堆疊的介質(zhì)基板上分別印刷一個(gè)寄生貼片和一個(gè)2×2的寄生陣列貼片單元， 引入了額外的諧振頻率， 從而實(shí)現(xiàn)了7.4%的阻抗帶寬； 文獻(xiàn)[3]將兩個(gè)介質(zhì)基板堆疊放置， 分別在兩個(gè)基板上印刷一個(gè)貼片， 產(chǎn)生兩個(gè)不同的諧振頻率， 實(shí)現(xiàn)25%的阻抗帶寬； 文獻(xiàn)[4]在一對蝶形偶極子周圍增加4個(gè)扇形寄生單元， 引入額外的諧振頻率， 天線的阻抗帶寬達(dá)到了48%； 文獻(xiàn)[5]通過在4個(gè)驅(qū)動(dòng)貼片的邊緣引入4個(gè)寄生貼片， 產(chǎn)生了額外的諧振頻率， 展寬了天線的軸比帶寬， 實(shí)現(xiàn)了19.5%的阻抗帶寬. 然而， 采用1個(gè)或多個(gè)寄生貼片的技術(shù)會(huì)增加天線的尺寸， 不利于天線的小型化. 第2種是采用臨近耦合饋電結(jié)構(gòu)來展寬帶寬； 文獻(xiàn)[6]中L型探針耦合饋電和文獻(xiàn)[7] 中的T型探針耦合饋電， 分別實(shí)現(xiàn)了36%和41%的阻抗帶寬. 但是引入的L型探針和T型探針饋電結(jié)構(gòu)增加了天線的剖面高度. 第3種是加載電容或電感單元結(jié)構(gòu)， 產(chǎn)生新的諧振， 從而展寬天線帶寬； 文獻(xiàn)[8]對一個(gè)寬臂偶極子天線采用漸變結(jié)構(gòu)的雙面平行帶線進(jìn)行饋電， 實(shí)現(xiàn)了44%的阻抗帶寬； 文獻(xiàn)[9]通過在中心饋電的圓形貼片外加載耦合圓環(huán), 并在圓環(huán)外邊緣對稱地加載6個(gè)短截線的方式產(chǎn)生了3個(gè)諧振模式， 展寬了天線的工作帶寬， 實(shí)現(xiàn)了17.6%的阻抗帶寬； 文獻(xiàn)[10] 在貼片上蝕刻E型槽和U型槽， 引入額外的諧振頻率， 天線的阻抗帶寬可以達(dá)到26.9%. 然而， 蝕刻的縫隙會(huì)破壞天線結(jié)構(gòu)的對稱性， 導(dǎo)致交叉極化增大. 第4種是通過同時(shí)激勵(lì)天線的多個(gè)諧振模式來實(shí)現(xiàn)寬帶特性； 文獻(xiàn)[11] 通過蝕刻縫隙激勵(lì)天線的TM10和TM01模式， 在天線的超低剖面下獲得約3.8%的阻抗帶寬. 但是輻射貼片上蝕刻的縫隙破壞了結(jié)構(gòu)的對稱性， 產(chǎn)生了高的交叉極化； 文獻(xiàn)[12]通過在貼片的特定位置對稱蝕刻縫隙， 激勵(lì)天線的TM30和TM50兩種模式共同諧振來增加帶寬， 實(shí)現(xiàn)了6.1% 的阻抗帶寬； 文獻(xiàn)[13]通過在輻射貼片的中間位置蝕刻縫隙， 激勵(lì)起縫隙模式， 與天線的TM10和TM12兩種模式共同諧振來展寬工作帶寬， 實(shí)現(xiàn)了55% 的阻抗帶寬； 文獻(xiàn)[14]通過在輻射貼片和接地板之間加載短路針， 可以同時(shí)激勵(lì)TM10和TM30兩種模式， 從而產(chǎn)生15.2%的阻抗帶寬. 但是， 直接采用高階模式的輻射時(shí)， 會(huì)在輻射方向上出現(xiàn)輻射零點(diǎn)， 從而使得方向圖會(huì)發(fā)生分瓣現(xiàn)象.

為改善高階模式的輻射方向圖， 本文設(shè)計(jì)了一種基于多模諧振的寬帶貼片天線. 首先， 通過在一個(gè)矩形貼片上蝕刻兩條縫隙的方式， 使天線工作在TM10和反相TM30兩個(gè)正交的模式來展寬天線的帶寬； 其次， 在貼片的4個(gè)頂角處蝕刻方形縫隙改善天線低頻處的阻抗匹配， 有效激勵(lì)起縫隙模式， 進(jìn)一步展寬天線的工作帶寬； 最后， 采用縫隙耦合饋電的方式同時(shí)激勵(lì)這3個(gè)工作模式， 實(shí)現(xiàn)一個(gè)寬的阻抗帶寬. 獲得寬帶的同時(shí)， 天線實(shí)現(xiàn)了良好的寬邊方向輻射性能.

1 多模諧振天線的設(shè)計(jì)

本文設(shè)計(jì)的寬帶貼片天線結(jié)構(gòu)如圖 1 所示. 天線由兩層介質(zhì)基板組成， 上層介質(zhì)基板為F4B， 相對介電常數(shù)為2.2， 損耗角正切為0.002， 厚度h1=2 mm. 下層介質(zhì)基板為FR4， 相對介電常數(shù)為 4.4， 損耗角正切為0.02， 厚度h2=1.6 mm. 兩層介質(zhì)基板的長寬均為l1和w1， 并通過高度h=2.8 mm的空氣層隔開， 增加空氣層使得整個(gè)天線的等效介電常數(shù)降低， 天線可以獲得一個(gè)比較寬的工作帶寬. 在上層介質(zhì)基板的上表面印刷了一個(gè)長度為l， 寬度為w的輻射貼片.同時(shí)， 關(guān)于y軸對稱蝕刻了兩個(gè)寬度為s的縫隙， 將整個(gè)貼片分為3個(gè)貼片.中間貼片的寬度為wm， 左右兩側(cè)的貼片寬度為ws.縫隙的引入， 使縫隙兩側(cè)產(chǎn)生的電場和貼片產(chǎn)生的電場相疊加， 產(chǎn)生一個(gè)反相TM30模式的工作模式， 通過調(diào)整縫隙的位置和寬度， 使TM10模式和反相TM30模式的諧振頻率相互靠近， 兩種模式共同諧振實(shí)現(xiàn)寬帶.在左右兩側(cè)的輻射貼片外側(cè)頂角處蝕刻4個(gè)邊長為p的方形縫隙， 改善了天線低頻處的阻抗匹配， 有效激勵(lì)起縫隙模式， 進(jìn)一步展寬天線的工作帶寬.下層介質(zhì)基板的上表面是與基板長寬一致， 長度為l1， 寬度為w1的接地板.工作在奇數(shù)階模式的輻射貼片的中心為電場零點(diǎn)； 工作在偶數(shù)階模式的輻射貼片的中心為電場峰值.為了激勵(lì)TM10模式和反相TM30模式奇數(shù)階工作模式， 在輻射貼片的中心位置進(jìn)行饋電.在接地板上蝕刻了長度為l2， 寬度為w2的縫隙， 與頂層輻射貼片的中心線所對應(yīng).基板的下表面印刷了長度為l3， 寬度為w3的微帶饋電線， 通過上表面的縫隙為頂層貼片耦合饋電.為了改善天線的阻抗匹配， 微帶線的終端加載寬度為w4的方形貼片. 表 1 列出了圖 1 天線結(jié)構(gòu)的具體尺寸.

圖 1 設(shè)計(jì)天線的結(jié)構(gòu)

表 1 天線各部分的尺寸

2 天線的工作模式

2.1 TM10 模式和反相TM30模式

根據(jù)特征模理論， 天線每一個(gè)諧振模式都對應(yīng)一個(gè)特征模， 由于其相應(yīng)的特征電流都是正交的， 所以這些天線的諧振模式是正交的. 蝕刻縫隙前不同工作模式下電場的示意圖如圖 2 所示. 圖 2(a) 是蝕刻縫隙前矩形貼片TM10模式的電場分布圖， 電場方向沿x軸方向由正向變化為反向， 存在一個(gè)電場零點(diǎn). 可知TM10模式時(shí)， 貼片與接地板之間的電場變化是一致的. 圖 2(b) 是蝕刻縫隙前矩形貼片TM30模式的電場分布圖. 此時(shí)電場方向沿x軸方向正反交替變化3次， 存在3個(gè)電場零點(diǎn). 相比于TM10模式， 貼片中間的電場是由反向變?yōu)檎颍?與兩側(cè)的電場變化不一致.

(a) TM10模式

蝕刻縫隙后不同工作模式下電場的示意圖如圖 3 所示. 圖 3(a) 是蝕刻縫隙后矩形貼片TM10模式的電場分布圖. 蝕刻縫隙后， 縫隙兩側(cè)產(chǎn)生的電場和貼片產(chǎn)生的電場相疊加， 電場方向沿x軸方向由正向變化為反向， 存在一個(gè)電場零點(diǎn)， 疊加后的場分布與蝕刻縫隙前的TM10模式的電場分布一致. 為了改變TM30模式電場的分布， 可以通過蝕刻縫隙構(gòu)成反相TM30模式， 其電場分布如圖 3(b)所示. 由于縫隙上存在強(qiáng)的耦合電流， 使得縫隙兩側(cè)的電場方向發(fā)生了突變， 因此， 反相TM30模式時(shí)， 貼片上的電場方向3次均由正向變?yōu)榉聪?

(a) TM10模式

圖 4 給出了TM30模和反相TM30模的輻射方向圖. 從圖 4(a) 中可以看出， 由于TM30模的電場變化不一致， 導(dǎo)致TM30模在主輻射方向出現(xiàn)輻射兩個(gè)零點(diǎn)， 輻射方向圖發(fā)生了明顯的分瓣. 由圖 4(b) 可知， 在矩形貼片上刻蝕縫隙后， 反相TM30模沿貼片水平方向的電流方向沒有改變， 因而主輻射方向無輻射零點(diǎn)， 因此， 分瓣現(xiàn)象得到改善， 實(shí)現(xiàn)了良好的寬邊輻射.

(a) TM30模

根據(jù)不同wm/l的輸入， 阻抗為50 Ω時(shí)可確定f10和f30的諧振頻率， 根據(jù)諧振點(diǎn)處的電場分布可確定相應(yīng)的工作模式. 圖 5 給出了wm/l對兩個(gè)諧振頻率及其頻率比f30/f10的影響.當(dāng)wm/l=0 即未蝕刻縫隙時(shí)，f10和f30的諧振頻率分別為 1.01 GHz 和2.98 GHz， 頻率比f30/f10約為 2.95. 當(dāng)wm/l變化時(shí)，f30/f10的頻率比也隨之變化， 當(dāng)wm/l=0.29時(shí)， 頻率比f30/f10達(dá)到最小值為1.09.此時(shí)可以通過同時(shí)激勵(lì)f30和f10兩個(gè)模式獲得寬的帶寬. 這種方法與在主輻射貼片兩側(cè)放置寄生貼片來展寬帶寬的方法不同.

圖 5 wm/l對兩個(gè)諧振頻率及其頻率比f30/ f10的影響

3 天線的關(guān)鍵參數(shù)

圖 6 給出了縫隙寬度p對天線S參數(shù)的影響.當(dāng)p=0 mm， 即未蝕刻方形槽時(shí)， 2.2 GHz處存在一個(gè)諧振點(diǎn)， 但是阻抗匹配較差. 隨著縫隙寬度p的增加， 2.2 GHz處的阻抗匹配得到改善， 縫隙模式得以有效激勵(lì). 縫隙寬度增加后， 縫隙邊緣流動(dòng)的電流路徑變長，f1向低頻移動(dòng)， 而對f2和f3幾乎沒有影響.p=3.5 mm時(shí)， 天線的相對帶寬從27.1%增加到27.9%， 展寬了天線的工作帶寬.p=7mm時(shí)， 高頻段處的阻抗匹配惡化， 2.6 GHz處的S11接近-10 dB. 而p=10.5 mm 時(shí)， 2.3 GHz處的S11>-10 dB， 導(dǎo)致出現(xiàn)了雙頻帶. 因此縫隙寬度p為3.5mm時(shí)， 可以獲得一個(gè)較寬的工作帶寬.

圖 6 縫隙寬度p對天線S參數(shù)的影響

圖 7 給出了通縫寬度s對天線S參數(shù)的影響.當(dāng)s=0 mm， 即未蝕刻縫隙時(shí)， 低頻段的阻抗匹配較差， 高頻處的阻抗匹配較好. 隨著通縫寬度s的逐漸增加， 整個(gè)工作頻帶內(nèi)的阻抗匹配得到改善.s=4.2 mm時(shí)， 整個(gè)工作頻帶內(nèi)的阻抗匹配均在-20 dB. 通縫寬度s對天線輻射方向圖的影響如圖 8 所示，s=0 mm時(shí)， 輻射貼片未蝕刻縫隙， 工作模式為TM30模， 輻射方向圖發(fā)生了明顯的分瓣. 當(dāng)s增加到4.4 mm時(shí)，E面的旁瓣水平逐漸減小， 波束寬度更寬， 但是-10 dB工作帶寬也逐漸變窄.s=4.2 mm時(shí)天線的工作帶寬較寬且輻射方向圖的旁瓣水平得到改善， 所以本文選取s=4.2 mm.

圖7 通縫寬度s對天線S參數(shù)的影響

圖 8 通縫寬度s對天線輻射方向圖的影響

接地板縫隙長度l2對天線S參數(shù)的影響如圖 9 所示.隨著縫隙長度l2的逐漸增加， 高頻處的阻抗匹配得到改善， 而低頻處的阻抗匹配變差.l2=31 mm時(shí)， 低頻的阻抗匹配較好， 高頻處的阻抗匹配較差， 工作頻帶為2.18 GHz～2.78 GHz， 相對帶寬為24.2%；l2=35 mm時(shí)， 2.3 GHz處的S11>-10 dB， 導(dǎo)致工作頻帶變窄， 天線的相對帶寬為18.9%.l2=33 mm時(shí)， 工作頻帶內(nèi)的阻抗匹配均在-20 dB以下且天線的相對帶寬為27.9%， 所以本文選取l2=33 mm.

圖 9 接地板縫隙長度l2對天線S參數(shù)的影響

圖 10 給出了空氣層高度h對天線S參數(shù)的影響.h=2.4 mm時(shí)， 低頻和高頻處的阻抗匹配良好， 但是天線的工作帶寬較窄， 工作頻帶為 2.1 GHz～2.7 GHz， 相對帶寬為25%.h=2.8 mm 時(shí)， 天線在整個(gè)工作頻帶內(nèi)的阻抗匹配較好且3個(gè)諧振頻率處的S11均小于-20 dB， 天線的相對帶寬為27.9%. 當(dāng)h=3.2 mm時(shí)， 高頻段的阻抗匹配惡化， 天線的工作頻帶為2.12 GHz～2.79 GHz， 相對帶寬為27.3%. 因此， 仿真結(jié)果表明， 所設(shè)計(jì)天線的良好阻抗匹配以及寬的工作帶寬是在h=2.8 mm時(shí)得到的.

圖 10 空氣層高度h對天線S參數(shù)的影響

4 天線的電場仿真結(jié)果

圖 11 給出了設(shè)計(jì)天線在不同諧振頻率處的電場分布.

(a) 2.20 GHz

圖 11(a) 是2.20 GHz的電場分布圖. 左右兩側(cè)貼片的電場方向沿x軸均由正向變化為反向， 中間貼片電場方向則與兩側(cè)相反. 左右兩側(cè)貼片處的電場強(qiáng)度較弱， 中間貼片處的電場強(qiáng)度較強(qiáng)， 因此， 疊加后的場分布取決于中間貼片的電場， 從而可以獲得一個(gè)較好的寬邊輻射方向圖. 圖 11(b) 是2.46 GHz的電場分布圖. 整個(gè)貼片上的電場方向沿x軸由正向變化為反向， 存在一個(gè)電場零點(diǎn)， 與圖 2(a) TM10模電場示意圖電場分布一致， 表明在工作頻帶內(nèi)2.46 GHz諧振頻率處激勵(lì)了TM10工作模式. 2.70 GHz的電場分布圖如圖 11(c) 所示， 電場方向沿x軸均由正向變化為反向， 與圖 3(b) 反相TM30模電場分布一致. 3個(gè)貼片上的電場變化一致， 導(dǎo)致貼片上的表面電流分布沿x軸同相， 因此輻射方向圖分瓣現(xiàn)象改善.

5 天線的測量結(jié)果

圖 12 是設(shè)計(jì)天線的加工實(shí)物圖. 天線的整體尺寸為200 mm×50 mm×5.4 mm. 天線的正面印刷了一個(gè)蝕刻有兩條縫隙的矩形輻射貼片. 通過兩條縫隙， 將整個(gè)貼片分為3個(gè)貼片， 左右兩側(cè)的輻射貼片外側(cè)頂角處蝕刻了4個(gè)方形縫隙， 背面50 Ω的微帶饋電線與SMA接頭相連. 在介質(zhì)基板的4個(gè)頂角通過塑料螺釘將兩層介質(zhì)基板固定.

(a) 天線正面圖

圖 13 給出了設(shè)計(jì)天線的仿真和測量S參數(shù).

圖 13 設(shè)計(jì)天線的仿真和測量S參數(shù)

如圖 13 所示， 仿真的-10 dB工作頻帶為 2.09 GHz～2.79 GHz， 天線的 3個(gè)諧振頻率分別在2.2 GHz, 2.46 GHz和2.7 GHz. 天線測量的工作頻帶為2.09 GHz～2.77 GHz， 3個(gè)諧振頻率分別在2.22 GHz, 2.38 GHz和2.69 GHz， 相對帶寬為 27.9%. 測量的S參數(shù)曲線與仿真的S曲線發(fā)生偏移， 可能是加工天線時(shí)存在誤差導(dǎo)致的.

圖 14 是天線在2.20 GHz， 2.46 GHz和 2.7 GHz 時(shí)的輻射方向圖.

(a) 2.20 GHz H-plane

由圖 14 可知， 天線在3個(gè)頻率處仿真的H面方向圖近似于全向的輻射， 而在2.20 GHz處測量的方向圖在背向輻射出現(xiàn)紋波， 可能是實(shí)際加工的天線接地板有限導(dǎo)致的. 由于設(shè)計(jì)天線結(jié)構(gòu)的對稱性， 3個(gè)諧振頻率處測量的交叉極化均小于-30 dB. 此外，E面輻射方向圖的前后比均大于12.4 dB， 實(shí)現(xiàn)了較好的前向輻射.

圖 15 給出了天線增益的仿真和測量結(jié)果. 從圖 15 可以看出， 在2.09 GHz～2.79 GHz的工作頻帶中， 天線仿真的峰值增益為8.3 dBi， 測量的峰值增益為6.3 dBi. 測量結(jié)果比仿真結(jié)果總體小2.0 dBi， 可能是由于介質(zhì)的損耗引起的.

圖 15 天線增益的仿真和測量結(jié)果

6 結(jié) 論

本文設(shè)計(jì)了一種基于多模諧振的寬帶天線. 通過在一個(gè)矩形貼片上蝕刻兩條縫隙的方式， 使天線同時(shí)工作在TM10模式和反相TM30模式兩個(gè)正交的模式來展寬天線的帶寬. 另外， 通過在左右兩側(cè)的輻射貼片頂角處蝕刻4個(gè)方形縫隙， 改善天線低頻處的阻抗匹配， 有效激勵(lì)起縫隙模式， 進(jìn)一步展寬天線的工作帶寬. 測量結(jié)果和仿真結(jié)果吻合良好， 天線測量的工作頻帶為2.09 GHz～2.77 GHz， 相對帶寬為27.9%. 此外， 天線實(shí)現(xiàn)了良好的寬邊方向的輻射， 峰值增益達(dá)到了6.3 dBi.