一種基于共臂結(jié)構(gòu)的雙頻印刷偶極子天線

劉鑫，張帥

（1.武漢晴川學(xué)院 北斗學(xué)院，湖北 武漢 430204；2.武漢第二船舶設(shè)計(jì)研究所，湖北 武漢 430205）

0 引 言

全向天線作為一種基本的天線類型，有著廣泛的應(yīng)用，它被應(yīng)用在形成無(wú)線擴(kuò)頻網(wǎng)絡(luò)、點(diǎn)對(duì)點(diǎn)通信、數(shù)據(jù)傳輸?shù)确矫?。在傳統(tǒng)的全向天線中，例如單極子天線、偶極子天線和套筒天線，印刷偶極子天線因其成本低、重量輕、外形小、易于加工等優(yōu)點(diǎn)，尤其受到業(yè)界的青睞。在印刷偶極子天線的設(shè)計(jì)中，寬帶化、小型化和高增益是其關(guān)鍵的技術(shù)要求。印刷偶極子天線最獨(dú)特的特點(diǎn)是它的結(jié)構(gòu)簡(jiǎn)單地由印刷在介質(zhì)基片兩側(cè)的兩個(gè)臂組成，通過(guò)適當(dāng)調(diào)整這些臂，它的諧振頻率和帶寬可以滿足我們不同的需求。

在無(wú)線局域網(wǎng)、物聯(lián)網(wǎng)通信領(lǐng)域，常用的通信頻段是433 MHz 頻段和2.4 GHz 頻段。這是因?yàn)楦鶕?jù)ITU-R（國(guó)際通信聯(lián)盟無(wú)線電通信局）的規(guī)定，使用ISM（工業(yè)、科學(xué)、醫(yī)療）頻段無(wú)需許可證或費(fèi)用，只需要遵守一定的發(fā)射功率，并且不要對(duì)其他頻段造成干擾即可。433 MHz 和2.4 GHz 頻段正是各國(guó)共同的ISM 頻段，因此藍(lán)牙、Wi-Fi、ZigBee、LoRa 等無(wú)線通信技術(shù)均是采用的這兩個(gè)頻段?？赏瑫r(shí)工作在433 MHz 和2.4 GHz 頻段的天線，在無(wú)線局域網(wǎng)、物聯(lián)網(wǎng)通信領(lǐng)域有著廣泛的用途。

關(guān)于雙頻段、多頻段印刷偶極子天線的研究已有很多，在輻射貼片或接地平面上刻蝕狹縫是獲得多個(gè)頻段的常用方法之一。另一個(gè)經(jīng)典的解決方案是將工作在不同頻段的天線放在一起，然而，它需要一個(gè)匹配電路，這使設(shè)計(jì)復(fù)雜化。第三種解決方案是在插槽上添加條帶，此外，通過(guò)引入各種帶隙結(jié)構(gòu)，天線也可以獲得多個(gè)頻段。近年來(lái)，隨著材料科學(xué)的發(fā)展，超材料被廣泛應(yīng)用于多頻段天線的設(shè)計(jì)。文獻(xiàn)[6]提出了一種雙單元NRI-TL 加載天線，該天線加載了具有串聯(lián)電容間隙和分流電感條的主偶極天線，以實(shí)現(xiàn)多頻帶行為。文獻(xiàn)[7]中提出的另一個(gè)想法表明，可以通過(guò)引入互補(bǔ)開口環(huán)諧振器來(lái)實(shí)現(xiàn)雙頻帶響應(yīng)。

本文提出了一種新型的雙頻印刷偶極子天線結(jié)構(gòu)，可同時(shí)工作在433 MHz 和2.4 GHz 頻段，在無(wú)線局域網(wǎng)、物聯(lián)網(wǎng)通信領(lǐng)域有著廣泛的應(yīng)用。該天線采用共臂結(jié)構(gòu)，通過(guò)將高頻輻射體設(shè)計(jì)為低頻印刷偶極子的另一臂，有效縮短了天線的整體尺寸，另一方面通過(guò)加載電感，進(jìn)一步縮短了低頻陣子臂的長(zhǎng)度，使得整個(gè)天線尺寸僅240 mm×8 mm×0.5 mm。

1 雙頻印刷偶極子天線設(shè)計(jì)

1.1 雙頻天線整體結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)

基于共臂結(jié)構(gòu)的雙頻印刷偶極子天線的整體設(shè)計(jì)思路是采用高頻輻射體作為低頻偶極子的一個(gè)臂，其中高頻輻射體采用二元偶極子陣列，一方面可以提升高頻段的天線增益，另一方面也正好與低頻半波偶極子天線臂的長(zhǎng)度相當(dāng)。圖1（a）是該天線正反面結(jié)構(gòu)示意圖，可以看出該天線由一個(gè)工作在高頻的二元雙面印刷偶極子陣列和一個(gè)工作在低頻的偶極子下臂組成，整個(gè)天線的總長(zhǎng)度是。

圖1 雙頻天線結(jié)構(gòu)示意圖

工作在高頻的二元雙面印刷偶極子陣列結(jié)構(gòu)如圖1（b）所示，位于介質(zhì)基板兩側(cè)的高頻陣子臂相互反向放置，天線介質(zhì)基板的相對(duì)介電常數(shù)為ε=2.65，損耗正切角為tan=0.005。該二元偶極子陣列的主要參數(shù)包括高頻偶極子的寬度、高頻偶極子臂的長(zhǎng)度、兩個(gè)高頻偶極子之間的距離、高頻二元偶極子陣列匹配支節(jié)的長(zhǎng)度，這些參數(shù)共同決定了高頻段的天線特性。

該二元偶極子陣列與饋電端口之間設(shè)置隔離電容，電容的高通特性使得天線工作在低頻時(shí)，接地陣子上的電流不會(huì)串?dāng)_到介質(zhì)基板上半部分的輻射單元上，從而使得高頻輻射體成為低頻印刷偶極子的上臂，與下臂共同構(gòu)成低頻印刷偶極子的完整結(jié)構(gòu)。工作在低頻的偶極子下臂結(jié)構(gòu)如圖1（c）所示，其主要參數(shù)為低頻偶極子下臂的長(zhǎng)度，為了縮短低頻陣下臂的長(zhǎng)度，在下臂上設(shè)置了電感。

1.2 雙頻天線參數(shù)優(yōu)化設(shè)計(jì)

由于采用了加載電感的方式來(lái)縮小天線縱向尺寸，需分析電感位置對(duì)天線性能的影響。當(dāng)電感位置靠近饋電端口時(shí)，天線方向圖仿真結(jié)果如圖2中ANT.1 曲線所示，可以看出天線方向圖出現(xiàn)了上翹，最大增益點(diǎn)不在水平方向上。隨著電感的位置從饋電端口向天線下臂末端移動(dòng)，天線最大增益點(diǎn)先是越來(lái)越接近水平方向，后又逐漸偏離水平方向。當(dāng)電感位于天線下臂，距離饋電端口12 mm 左右時(shí)，天線最大增益點(diǎn)基本處于水平方向，此時(shí)的天線方向圖仿真結(jié)果如圖2中ANT.2 曲線所示。

圖2 電感在不同位置時(shí)的方向圖

除了電感的位置，印刷振子的尺寸調(diào)整也會(huì)較大程度地影響天線的性能。高頻偶極子的寬度、高頻偶極子臂的長(zhǎng)度對(duì)天線的高頻性能產(chǎn)生影響，低頻偶極子下臂的長(zhǎng)度對(duì)天線的低頻性能產(chǎn)生影響。而兩個(gè)高頻偶極子之間的距離、高頻二元偶極子陣列匹配支節(jié)的長(zhǎng)度既對(duì)高頻二元偶極子陣列的性能有影響，也對(duì)低頻偶極子的性能有影響，即對(duì)天線的高頻和低頻性能都可能產(chǎn)生影響。

圖3是兩個(gè)高頻偶極子之間的距離變化時(shí)，天線電壓駐波比的仿真結(jié)果。可以看出，隨著兩個(gè)高頻偶極子之間距離的增大，低頻段的諧振點(diǎn)向低頻方向移動(dòng)，但高頻段性能較穩(wěn)定，基本不受其影響。圖4是高頻二元偶極子陣列匹配支節(jié)的長(zhǎng)度變化時(shí)，天線電壓駐波比的仿真結(jié)果?？梢钥闯?，隨著匹配支節(jié)長(zhǎng)度的增加，低頻段的諧振點(diǎn)基本不受影響，但高頻段的諧振點(diǎn)向低頻方向移動(dòng)。

圖3 兩個(gè)高頻偶極子之間的距離對(duì)VSWR 的影響

圖4 高頻二元偶極子陣列匹配支節(jié)的長(zhǎng)度對(duì)VSWR 的影響

利用Ansoft 公司的HFSS 電磁仿真軟件，經(jīng)過(guò)多次迭代優(yōu)化設(shè)計(jì)，最終建立了如圖5所示的雙頻天線模型，天線各部分的詳細(xì)參數(shù)如表1所示。從天線模型中可以看出，天線的主體是一個(gè)低頻段的偶極子天線，中間是連接SMA 射頻端口和同軸線的饋電端口，其下臂是一個(gè)電感加載的銅管結(jié)構(gòu)，其上臂耦合了一個(gè)高頻段的二元偶極子陣列天線。基于F4B 板材制作的雙頻天線實(shí)物圖如圖6所示，整個(gè)天線尺寸為240 mm×8 mm×0.5 mm。

圖5 采用HFSS 電磁仿真軟件建立的雙頻天線模型

表1 雙頻天線尺寸參數(shù)表

圖6 基于F4B 板材制作的雙頻天線

2 測(cè)試結(jié)果及分析

2.1 天線射頻匹配性能測(cè)試

通過(guò)測(cè)試天線在饋電端口處的復(fù)阻抗和回波損耗，可以評(píng)估天線的射頻匹配性能。首先通過(guò)Keysight 的N9915A矢量網(wǎng)絡(luò)分析儀測(cè)得天線在饋電端口處的復(fù)阻抗如圖7所示。其中Mark 點(diǎn)M1 設(shè)置在天線的低頻段433 MHz，從圖中可以看出，該點(diǎn)的復(fù)阻抗非常接近50 Ω，具有優(yōu)異的阻抗匹配特性。Mark 點(diǎn)M2 設(shè)置在天線的高頻段2 390 MHz，該點(diǎn)的復(fù)阻抗為43.3 Ω-j0.2 Ω，反射系數(shù)僅為0.07，由于阻抗不匹配所導(dǎo)致的反射能量可以忽略不計(jì)。因此，天線在433 MHz 和2.4 GHz 兩個(gè)頻段都具有優(yōu)異的匹配性能。

圖7 天線在SMA 端口處的復(fù)阻抗測(cè)量結(jié)果

其次對(duì)天線在饋電端口處的回波損耗S11 進(jìn)行了測(cè)量，測(cè)量頻率范圍覆蓋0 Hz ～3 GHz，測(cè)量結(jié)果如圖8所示。根據(jù)Mark 點(diǎn)的測(cè)量值，低頻段回波損耗S11=-21.72 dB@ 433 MHz，高頻段回波損耗S11=-22.3 dB @ 2 390 MHz。天線在433 MHz 和2.4 GHz 兩個(gè)頻段的回波損耗均低于-20 dB，射頻匹配性能優(yōu)異。

圖8 天線在SMA 端口處S11 參數(shù)測(cè)量結(jié)果

2.2 天線輻射特性測(cè)試

天線的輻射特性可以通過(guò)測(cè)試天線的方向圖來(lái)評(píng)估。在微波暗室分別測(cè)試了12 支雙頻天線在兩個(gè)目標(biāo)頻段內(nèi)的方向圖，圖9是雙頻天線在低頻段的方向圖測(cè)試結(jié)果，可以看出天線在低頻段的增益約為1 ～2 dBi，最大增益點(diǎn)位于水平方向，與仿真結(jié)果具有較高一致性。圖10 是雙頻天線在高頻段的方向圖測(cè)試結(jié)果，可以看出天線在高頻段的增益約為3 ～4 dBi，最大增益點(diǎn)也正好處于水平方向，天線的輻射特性良好。

圖9 雙頻天線的低頻方向圖

圖10 雙頻天線的高頻方向圖

3 結(jié) 論

本文成功地設(shè)計(jì)、制造和分析了一種雙頻印刷偶極子天線，該天線可同時(shí)工作在433 MHz 和2.4 GHz 兩個(gè)頻段，在無(wú)線局域網(wǎng)、物聯(lián)網(wǎng)通信領(lǐng)域有著廣泛的應(yīng)用。為了縮小天線尺寸，一方面通過(guò)加載電容，將高頻二元印刷偶極子陣列設(shè)計(jì)成低頻偶極子的上臂；另一方面通過(guò)加載電感，縮短低頻偶極子下臂的長(zhǎng)度，使得天線尺寸僅240 mm×8 mm× 0.5 mm，易于加工和安裝，非常適合小型天線的應(yīng)用。實(shí)測(cè)結(jié)果表明，該天線在433 MHz 和2.4 GHz 兩個(gè)頻段均具有良好的射頻匹配性能。低頻段的增益約為1 ～2 dBi，最大增益點(diǎn)位于水平方向，高頻段的增益約為3 ～4 dBi，最大增益點(diǎn)也正好處于水平方向，天線的輻射特性良好。