緊湊型大頻比雙頻天線的設(shè)計(jì)

郝佳寧，馮立營(yíng)

（天津職業(yè)技術(shù)師范大學(xué)電子工程學(xué)院，天津 300222）

隨著通信技術(shù)、雷達(dá)以及物聯(lián)網(wǎng)的快速發(fā)展，微波波段的頻譜劃分變得越來越擁擠，此時(shí)擁有豐富頻譜資源的毫米波頻段逐漸成為研究開發(fā)的方向。然而，由于毫米波存在傳輸距離短、傳播損耗高的缺點(diǎn)，短時(shí)間內(nèi)無法完全取代微波頻段[1-2]。由此可見，微波和毫米波的發(fā)展是并行不悖的，此時(shí)需要通信系統(tǒng)能夠在2個(gè)波段同時(shí)運(yùn)行，故需要設(shè)計(jì)出能夠?qū)?種跨度較大的頻段全部覆蓋的天線。具有較大頻率比的雙頻天線甚至是多頻段天線是解決這一問題的有效手段。

設(shè)計(jì)大頻比雙頻天線最直接的方法是對(duì)上頻帶和下頻帶的天線分別進(jìn)行設(shè)計(jì)，然后通過垂直放置[3-4]或者水平放置[5-6]的方法組合在一起。這種天線設(shè)計(jì)簡(jiǎn)單，但直接組合的方式卻增加了天線的體積，意味著制作成本的增加。在不增加原有單個(gè)天線結(jié)構(gòu)體積的前提下，集成不同類型的天線成為了焦點(diǎn)。如將介質(zhì)集成波導(dǎo)與單極子天線[7]、微帶線[8]以及平面倒F天線[9]相結(jié)合；將周期性的貼片天線作為法布里-珀羅諧振器天線的部分反射表面[10]；將法布里-珀羅諧振器天線與偶極子天線[11]集成在介質(zhì)板中等。

為了保持緊湊的尺寸，天線類型的選擇也十分重要。由于介質(zhì)諧振器天線的尺寸與所選擇的電介質(zhì)材料的介電常數(shù)有關(guān)，所以研究介質(zhì)諧振器天線具有解決低頻天線體積較大問題的潛力。同時(shí)，介質(zhì)諧振器天線還具有重量輕、Q值高、易于集成、成本低等優(yōu)點(diǎn)，選擇介質(zhì)諧振器天線作為低頻段的天線與其他天線進(jìn)行集成是十分有利的。介質(zhì)諧振器天線常見的形狀有圓柱形[12]、矩形[13]以及半球形[14]。在文獻(xiàn)[15]中，通過使用一個(gè)沿中心有矩形凹槽的矩形介質(zhì)諧振器實(shí)現(xiàn)了雙頻輻射功能，在矩形凹槽處附上銅貼紙代替?zhèn)鹘y(tǒng)的金屬板，在保持天線結(jié)構(gòu)緊湊的同時(shí)，降低了天線的重量，將法布里-珀羅諧振器天線與介質(zhì)諧振器相結(jié)合，使天線能夠同時(shí)工作在微波波段和毫米波段。本設(shè)計(jì)采用圓柱形介質(zhì)諧振器，體積比文獻(xiàn)[15]中的矩形介質(zhì)諧振器更小，制作工藝更加簡(jiǎn)單，只需調(diào)節(jié)半徑和高度2個(gè)參數(shù)，設(shè)計(jì)也更簡(jiǎn)便。本設(shè)計(jì)在圓柱形介質(zhì)諧振器天線的中間挖一個(gè)矩形槽，在切割面的側(cè)面與底面進(jìn)行電鍍，構(gòu)成法布里-珀羅諧振器天線的諧振腔。低頻和高頻的隔離度在-77 dB以下，保證了雙波段天線在各個(gè)頻帶工作的穩(wěn)定性。

1 天線結(jié)構(gòu)

本研究所提出的緊湊型大頻比雙頻天線的結(jié)構(gòu)如圖1所示。相關(guān)的尺寸參數(shù)分別為ε1=10，ε0=1，w0=150 mm，ws=2 mm，wr=2 mm，L1=2.8 mm，Ls=11.5 mm，Lr=7 mm，s=1 mm，r1=13.8 mm，r2=2.5 mm，r3=1mm，h0=4mm，h1=20 mm，h2=10 mm，h3=2.8 mm，d=7.2 mm，2個(gè)頻段擁有各自的輸入端口。

圖1 雙頻天線的結(jié)構(gòu)圖

該設(shè)計(jì)采用圓柱形介質(zhì)諧振器作為低頻部分的天線，在其中心挖去一個(gè)的矩形槽用于滿足高頻法布里-珀羅諧振器天線的構(gòu)成條件，設(shè)計(jì)的介質(zhì)諧振器的介電常數(shù)為ε1，高為h1，半徑為r1。天線放置在介電常數(shù)為ε0、高度h0、長(zhǎng)和寬均為w0的矩形地板上。通過一個(gè)矩形條帶激發(fā)介質(zhì)諧振器，矩形條帶的長(zhǎng)為L(zhǎng)s，寬為ws，這種饋電方式提高了天線的阻抗匹配。

高頻部分的天線則選擇結(jié)構(gòu)簡(jiǎn)單、高增益的法布里-珀羅諧振器天線，基本的法布里-珀羅諧振器天線由2個(gè)平行的金屬板構(gòu)成。對(duì)文獻(xiàn)[15]中凹槽周圍的金屬層進(jìn)行了改進(jìn)，使用陶瓷鍍銅代替文獻(xiàn)[15]中的銅貼紙，完成對(duì)槽的側(cè)面及底面的金屬化。陶瓷鍍銅可以使陶瓷表面附著一層銅薄膜，克服了銅貼紙?jiān)谔沾杀砻娌焕喂痰娜秉c(diǎn)，并且現(xiàn)代電鍍技術(shù)比較成熟。理想的法布里-珀羅諧振器天線2個(gè)無限長(zhǎng)反射板之間的距離為波長(zhǎng)的1/2，實(shí)際中反射板無法做到無限長(zhǎng)，因此2個(gè)反射板之間的距離稍有偏差，通過HFSS軟件優(yōu)化得到2個(gè)板之間的最優(yōu)間距d。通過在槽的兩側(cè)加入長(zhǎng)和寬分別為L(zhǎng)r和wr的脊，有效地抑制了不必要的副瓣。最后通過一個(gè)L型探針對(duì)法布里-珀羅諧振器天線進(jìn)行饋電，探針半徑為r3，垂直臂高出凹槽的長(zhǎng)度為h3，水平臂的長(zhǎng)度為L(zhǎng)1。然而，L型探針會(huì)導(dǎo)致方向圖有傾斜，本文對(duì)此方面進(jìn)行了優(yōu)化并設(shè)計(jì)了一個(gè)半環(huán)型的套筒。半環(huán)形套筒的外半徑r2設(shè)計(jì)的與L型探針的水平臂長(zhǎng)度相似，通過優(yōu)化得到了最優(yōu)參數(shù)。

2 雙頻帶天線的設(shè)計(jì)

2.1 低頻介質(zhì)諧振器天線

2.1.1 介質(zhì)諧振器天線的工作原理

理想導(dǎo)體壁被稱作電壁。由于電壁上的磁場(chǎng)法向分量為0、電場(chǎng)切向分量為0，所以能夠?qū)⑷肷涞诫姳谏系碾姶挪ㄍ耆瓷洌瑳]有波穿過電壁。將電壁構(gòu)成一個(gè)腔體，電磁能量便能夠在腔內(nèi)發(fā)生諧振。由于金屬諧振腔的金屬壁可以看作電壁，在諧振的過程中則不會(huì)有波穿過金屬腔。但在介質(zhì)諧振器中，側(cè)壁不能看作電壁，能量會(huì)在諧振過程中輻射出去，從而使介質(zhì)諧振器成為輻射體。

介質(zhì)諧振器天線是由介質(zhì)諧振器構(gòu)成的，通過特定的饋電方式可以對(duì)諧振器進(jìn)行激勵(lì)，產(chǎn)生多種諧振模式。該設(shè)計(jì)采用一個(gè)矩形條帶激發(fā)介質(zhì)諧振器。

介質(zhì)諧振器工作在HEM11模式。對(duì)介質(zhì)諧振器天線挖矩形槽并沒有影響到介質(zhì)諧振器天線的輻射模式，介質(zhì)諧振器天線可以在設(shè)定的頻帶內(nèi)正常工作。

2.1.1 饋電微帶線尺寸對(duì)參數(shù)的影響

利用ADS中的Linecalc對(duì)介質(zhì)諧振器天線的矩形饋電線的尺寸進(jìn)行計(jì)算，得到矩形微帶線的寬度為wS=2 mm。ANSYS HFSS是一款三維結(jié)構(gòu)電磁仿真軟件，擁有標(biāo)準(zhǔn)級(jí)的三維電磁場(chǎng)設(shè)計(jì)和分析能力，利用該軟件對(duì)天線進(jìn)行模擬。圖2顯示了矩形微帶線長(zhǎng)度變化對(duì)低頻的介質(zhì)諧振器天線回波損耗S11的影響。

圖2 矩形微帶線長(zhǎng)度對(duì)S11的影響

當(dāng)矩形微帶線的長(zhǎng)度LS分別為11.5 mm、12 mm和12.5 mm時(shí)，通過模擬圖可以觀察到隨著微帶線長(zhǎng)度的增加，介質(zhì)諧振器天線的反射系數(shù)曲線向低頻偏移，同時(shí)反射系數(shù)的最小值逐漸減小。當(dāng)長(zhǎng)度為12.5 mm時(shí)，天線的阻抗匹配最好，反射系數(shù)的最小值達(dá)到-26.5 dB，因此選擇LS=11.5 mm。此時(shí)天線的中心頻率在2.45 GHz，阻抗帶寬（S11＜-10 dB）達(dá)到7.34%。

2.1.2 低頻天線的模擬結(jié)果

利用HFSS電磁仿真軟件對(duì)緊湊型大頻比天線進(jìn)行仿真，低頻時(shí)模擬的S參數(shù)以及增益結(jié)果如圖3所示。

圖3 介質(zhì)諧振器天線的反射系數(shù)和增益

-10 dB的阻抗帶寬為7.34%（2.37～2.54 GHz），覆蓋了2.4 GHz ISM頻段中的2.4～2.483 5 GHz頻段，此頻段是全世界公開通用無線頻段，被廣泛用于藍(lán)牙、無線局域網(wǎng)等。圖3還顯示了介質(zhì)諧振器天線的仿真增益，從圖中可以看出，在給定頻帶內(nèi)天線的增益范圍為6.63～6.96 dBi。

介質(zhì)諧振器天線在中心頻率時(shí)E面和H面的仿真輻射如圖4所示。

圖4 介質(zhì)諧振器天線的方向圖

從圖4可以看出，圓柱形介質(zhì)諧振器天線在2.41 GHz時(shí)，得到了6.79 dBi的增益，E面的交叉極化電平低于-6.03 dB，H面的交叉極化電平低于-41 dB。在整個(gè)角平面上共面極化場(chǎng)都強(qiáng)于交叉極化場(chǎng)，實(shí)現(xiàn)了較為理想的結(jié)果。

2.2 高頻法布里-珀羅諧振器天線

2.2.1 法布里-珀羅諧振器天線的工作原理

法布里-珀羅諧振器天線由輻射源以及部分反射面構(gòu)成。來自于輻射源的電磁波經(jīng)過部分反射面后，一部分被輻射出去，另一部分則被反射回諧振腔內(nèi)繼續(xù)進(jìn)行反射和透射。2012年，Lu等[16]提出了一種新型的法布里-珀羅諧振器天線，在2個(gè)金屬平行板之間放置了一個(gè)L型探針，將探針的諧振模式設(shè)置為接近法布里珀羅諧振模式，擴(kuò)大了天線的帶寬。

本設(shè)計(jì)中的高頻天線使用介質(zhì)諧振器挖出的矩形槽作為諧振腔，在矩形槽周圍鍍銅作為金屬反射面，使用L型探針饋電。由于L型探針的不對(duì)稱形狀，導(dǎo)致方向圖傾向于水平探針伸出的方向。設(shè)計(jì)一個(gè)半環(huán)形套筒放置在探針的背后，提供了與L型探針相反方向的電流，緩解了輻射圖的不對(duì)稱。

2.2.2 脊的尺寸對(duì)參數(shù)的影響

為了防止能量分散到旁瓣中，抑制旁瓣是很有必要的。本設(shè)計(jì)采用在法布里-珀羅諧振器天線兩側(cè)引入2對(duì)脊的方法來降低旁瓣，脊對(duì)天線方向圖的影響如圖5所示。從圖5可以看出，基本天線的方向圖旁瓣達(dá)到0.33 dB，經(jīng)過改進(jìn)之后旁瓣可以觀察到均在-8.86 dB以下。雖然該方法損失了一些增益，但波束寬度也相應(yīng)地增加。

圖5 脊對(duì)天線方向圖的影響

本設(shè)計(jì)研究了脊的長(zhǎng)和寬對(duì)天線阻抗匹配的影響，結(jié)果顯示，脊的寬對(duì)天線的影響較大。脊的寬度分別為1 mm、1.5 mm和2 mm時(shí)，對(duì)法布里-珀羅諧振器天線S22參數(shù)的影響如圖6所示。

圖6 脊的寬度對(duì)法布里-珀羅諧振器天線S22參數(shù)的影響

從圖6可以看出，隨著脊寬度的增加，法布里-珀羅諧振器天線的頻率逐漸向設(shè)定的24 GHz中心頻率靠近，反射系數(shù)的最小值在wr=2 mm時(shí)達(dá)到-37.06 dB，并且阻抗帶寬也在逐步增加。最終選擇寬度wr=2 mm作為脊的寬度，此時(shí)天線的中心頻率在24 GHz。

2.2.3 高頻天線的仿真結(jié)果

利用HFSS電磁仿真軟件對(duì)高頻的法布里-珀羅諧振器天線進(jìn)行仿真，模擬的S參數(shù)及增益如圖7所示。

圖7 法布里-珀羅諧振器天線的反射系數(shù)和增益

高頻時(shí)天線的中心頻率在24 GHz，S22＜-10 dB的范圍為23.38～24.76 GHz，阻抗帶寬為5.58%，覆蓋了24～24.25 GHz的窄帶（NB）頻段。從圖7可以看出，法布里-珀羅諧振器天線的增益在7.04～10.95 dBi內(nèi)波動(dòng)。

圖8顯示了介質(zhì)諧振器天線在中心頻率時(shí)E面和H面的模擬輻射圖。

圖8 法布里-珀羅諧振器天線的方向圖

法布里-珀羅諧振器天線在24 GHz時(shí)，增益達(dá)到了8.67 dBi，E面的交叉極化電平低于-32.4 dB，H面的交叉極化電平均低于-13.43 dB。在其他頻率下也模擬了輻射模式，在通帶上取得了非常穩(wěn)定的結(jié)果。

3 結(jié) 語(yǔ)

本研究提出了一種緊湊型的大頻比雙頻天線，通過在圓柱形介質(zhì)諧振器中間挖矩形槽的方法，將其與法布里-珀羅諧振器天線相結(jié)合。由2個(gè)端口進(jìn)行饋電，互不干擾，天線的下頻段和上頻段的阻抗帶寬分別為7.34%和5.83%，并且2個(gè)頻帶的交叉極化很低。對(duì)于高頻法布里-珀羅諧振器天線的設(shè)計(jì)，可以通過改變2個(gè)金屬板間的距離來改變天線的中心頻率，使得天線不僅限于本設(shè)計(jì)的24 GHz，使其具有一定靈活性的同時(shí)，滿足頻率跨度較大的天線的需求，同時(shí)實(shí)現(xiàn)了天線的小型化。但高頻部分的增益波動(dòng)較大，有待進(jìn)一步優(yōu)化。