一種小型特殊形狀圓極化多頻諧波天線設計*

林 麗李 星

(1.沈陽開放大學理工學院，遼寧 沈陽110003，2.沈陽建筑大學理學院，遼寧 沈陽 110168)

在當前通信天線小型化設計過程中，通常認為復合右/左傳輸技術是最有效的方法[1-4]，可以提供左手(left-handed，LH)和右手(right-handed，RH)傳播，并能夠改善阻抗匹配[5]。另一種主流技術則主要用于微波器件和濾波器的介質諧振器，介質諧振器天線(dielectric resonator antenna，DRA)具有低損耗、高增益和高效率等優(yōu)點[6]，但缺點是價格較高。DRA 具有多種應用前景，如圓極化天線和多波段的圓柱形DRA。近年來，研究人員發(fā)現(xiàn)，DRA 可以有效改善天線的增益和帶寬。例如:Sharma 等[7]通過接地層和電磁帶隙負載構造了一個CRLH 結構，并通過空矩形DRA 產(chǎn)生了有良好輻射方向圖的雙模結果，改善了帶寬并減小了天線的尺寸。此外，圓極化被用來提高傳輸鏈路的預算和減少由線偏振波引起的偏振失配。Gupta 等人[8]提出用口徑耦合饋電的天線來實現(xiàn)雙圓極化DRA。Varshney 等人[9]討論了雙頻圓極化DRA。該天線由三角形環(huán)形孔徑饋電，可以控制LH 圓極化和RH 圓極化。另一方面，基于耦合特性的二次諧波天線在雙頻和雷達諧波檢測中得到了廣泛的應用，緊湊型圓極化天線的需求不斷增加。

本文利用寄生環(huán)路提供二次諧波特性，設計并制造了一種結合CRLH 與介質負載的緊湊型天線原型，實現(xiàn)了圓極化的多頻段諧振。首先，設計了環(huán)形天線和CRLH，并使用寄生元件來增加諧振次數(shù)和控制諧波。其次，增加了一個介電層來提高增益和調(diào)整帶寬。與用傳統(tǒng)CRLH 技術制造的天線相比，CRLH 與介質部分的相互作用提供了更緊湊的尺寸。在2.4 GHz 和5.5 GHz 兩個諧振情況下，將實驗結果與現(xiàn)有的模型進行了性能分析比較。

1 原理分析

微帶曲折線是一種串聯(lián)電感和電容的結構，該結構的幾何形狀和等效電路模型如圖1 所示。

如圖1(a)所示，微帶曲折線由幾個小微帶部分組成。必須將每一段微帶產(chǎn)生的電感組合起來，才能計算出該結構的電感。根據(jù)導體中電流的方向，兩個導體之間的互感可以是正的，也可以是負的。如果這兩條傳輸線的電流相同，則互感為正值，否則為負值。負耦合會降低總電感。對于距離較近的導體，耦合效應較高。相互垂直的導體之間有輕微的耦合。此外，具通孔微帶線被視為并聯(lián)電感。采用寄生環(huán)路(外環(huán))來產(chǎn)生二次諧波[10-11]，以提高天線的帶寬。

計算每個電感的方式如下:

式中:l為導線長度，W為線寬，t為導線銅厚。

互感的計算方式為:

式中:le和d分別為平行導體的有效長度和距離，單位為μm。例如圖1(d)的總電感等于:

2 天線設計

所提基于CRLH-DRA 負載的天線設計如圖2所示。該天線由三個部分組成。底層包含微帶環(huán)貼片，該貼片連接到SMA 50 Ω 連接器上，如圖2(a)所示。此外，在該結構中增加了一個寄生環(huán)路，以提高帶寬，從而提供二次諧波特性。

圖2 所提諧波天線的設計

該天線的中間部分有一個介電負載，是通過三個CRLH 單元連接而成的。它們相互連接，以120°的角度排列，垂直于微帶環(huán)貼片。每個單元具有曲折形狀的微帶線。一側為左手電容，另一側為左手電感，并使用穿過電介質的通孔進行連接，如圖2(b)所示。曲折元件連接到底側的環(huán)上，而矩形條利用通孔接地。上部有一個圓柱形的電介質。通孔(半徑為0.6 mm)布局和接地層視圖如圖2(c)所示。

該緊湊型天線設計具有高增益和圓極化的多頻特性。為了提高天線的效率和阻抗匹配性，在結構的頂部使用了介質層。此外，還利用缺陷接地結構來控制電流，以提高天線的帶寬。介質透鏡尺寸是控制天線諧振和匹配的重要因素，本文主要考慮的參數(shù)為圓柱盤的厚度(h1)。h1變化時的天線回波損耗仿真如圖3 所示。

圖3 h1 變化時的天線回波損耗仿真

如圖3 所示，h1從0.8 mm 到4 mm 變化。與其他情況相比，厚度為2.4 mm 的最佳匹配值大于20 dB。因此，h1對共振頻率的影響有限，可以將2.4 mm 和3.2 mm 的厚度設為最佳值。因此，天線尺寸參數(shù)如下:D1=26.4 mm、D2=0.8 mm、h1=3.2 mm、h2=10 mm、h3=1.6 mm、h4=1.6 mm、L1=8.8 mm、R1=10 mm、R2=12.5 mm、W1=12.5 mm、W2=1.5 mm、W3=1 mm 和Wsub=32 mm。

3 實驗結果與分析

3.1 仿真與測量結果對比

基于有限元方法，利用Ansoft HFSS 軟件對天線進行仿真。測量由網(wǎng)絡分析儀HP8710 完成。同時，采用低成本的FR-4 介質制作出該天線原型，如圖4 所示。

圖4 所制作的天線原型

通過仿真和測量，并與沒有寄生環(huán)路的結構進行比較，得出了天線回波損耗如圖5 所示。

圖5 天線回波損耗

通過對比可以看出，所提天線中采用的寄生環(huán)可以顯著提高帶寬和匹配度。此外，觀察發(fā)現(xiàn)，所提天線有四頻(S11＜-6 dB)，頻率為2.25 GHz(個人無線應用)、2.8 GHz(藍牙和LTE 應用)、4.5 GHz(WiMAX 應用)和6 GHz。這些波段的帶寬分別為3.7%、8.5%、5.3%和18.5%。仿真結果與實測數(shù)據(jù)吻合良好。

天線原型的電流分布仿真結果如圖6 所示。

由圖6 可以看出電流是如何通過結點轉移到曲折環(huán)路的。首先，通孔將電流從曲折段傳遞到微帶線。然后，另一個通孔將該傳輸線連接到接地層。如前所述，天線有一個寄生元件，這個元件的影響可以在2.25 GHz 和4.5 GHz 處看到。隨著頻率的增加，寄生元件效應減小，而對于4.5 GHz 的二次諧波，電流集中在曲折部分的程度大于2.25 GHz 的一次諧波。。

圖6 天線原型的電流分布

所有諧振的天線三維方向圖和增益如圖7所示。

圖7 天線三維方向圖和增益

如圖7 所示，天線的增益對于第一次諧振是負值，而環(huán)路之間的耦合使第二次諧波產(chǎn)生諧振。對于2.25 GHz 的第一次諧振，天線電流集中在環(huán)路上(圖6(a))，因此曲折線對場控制沒有任何影響。這種耦合導致此諧振的低增益約為-6 dB(圖7(a))。然而，在4.5 GHz 的二次諧波中，耦合和曲折線之間的相互作用最終導致模式失真，如圖7(c)所示。在2.8 GHz 的二次諧振中，耦合效應急劇減弱，介質彎曲起主要作用。因此，可以預測該諧振的更高增益和方向性。在6 GHz 的二次諧波時，增益增加到6 dB(圖7(d))。當Phi=0°和90°時，天線在6 GHz 時的輻射方向圖如圖7(e)所示。

3.2 與以往研究的比較

本節(jié)將天線原型的性能與其他文獻在2.4 GHz和5.5 GHz 下的研究結果進行了比較，結果如表1和表2 所示。

表1 2.4 GHz 時的天線性能比較

表2 5.5 GHz 時的天線性能比較

上述結果表明，該天線原型在2.4 GHz 具有較低的增益，但天線尺寸比其他類型的天線(如縫隙天線)更緊湊。特別是大部分增益較高的天線諧振次數(shù)有限，而該天線有四個諧振頻率。在5.5 GHz頻段，該天線表現(xiàn)出了高增益、高帶寬、高圓極化等優(yōu)點，與以往的其他型號天線相比有很大的優(yōu)勢。

4 結語

本文設計了一種具有較高增益的緊湊型天線。該天線主要綜合了兩種重要的天線設計方法。CRLH 技術用于實現(xiàn)尺寸小型化，而介質負載則用于更高的增益和更高的帶寬。仿真和實驗結果表明，采用特殊形狀將CRLH 技術和DRA 技術相結合，可以獲得圓極化特性。該多頻段天線具有成本低、重量輕、增益高、帶寬大、匹配性好等特點，是覆蓋無線通信系統(tǒng)所需各種頻段的理想候選天線。