一種差分激勵(lì)新型寬帶貼片天線的設(shè)計(jì)與實(shí)現(xiàn)

徐新元, 王建朋

(南京理工大學(xué) 電子工程與光電技術(shù)學(xué)院, 江蘇 南京 210094)

0 引言

微帶貼片天線(Microstrip patch antenna, MPA)具有重量輕、體積小、結(jié)構(gòu)緊湊、制造成本相對(duì)較低等優(yōu)點(diǎn),因此在現(xiàn)代無(wú)線通信系統(tǒng)中得到了廣泛的應(yīng)用[1-3]．另一方面,考慮到無(wú)線通信系統(tǒng)正面臨日益嚴(yán)重的環(huán)境噪聲和電磁干擾問(wèn)題,系統(tǒng)中電路所采用的常規(guī)單端信號(hào)工作方式不能解決上述問(wèn)題,迫切需要發(fā)展基于差分信號(hào)工作方式的新型電路和器件．

近年來(lái),差分信號(hào)工作方式下無(wú)線通信系統(tǒng)和器件的創(chuàng)新研究得到了廣泛的關(guān)注[4-5]，包括研制新型的差分微帶天線以及寬帶差分微帶天線[6-12]．如：通過(guò)引入U(xiǎn)形槽或H形槽的方式,提出的貼片天線的阻抗帶寬可以達(dá)到30%以上[9-10]；基于一對(duì)折疊平行板提出了一種差分饋電形式的寬帶貼片天線[11]；通過(guò)在微帶天線中加載短路柱引入了一個(gè)新的諧振模式,有效地拓展了工作帶寬[12]．然而,這些寬帶技術(shù)有一個(gè)共同的特點(diǎn),即只有主諧振模式在工作．對(duì)于微帶貼片天線,其奇階諧振模(如：TM01、TM21、TM03等)具有相似的端射輻射特性，如果多個(gè)奇數(shù)階諧振模被同時(shí)激勵(lì)并且其工作頻率經(jīng)過(guò)調(diào)試可以相互靠近,用此方法將可以設(shè)計(jì)出一種新型的寬帶微帶貼片天線．

本文基于單個(gè)矩形貼片諧振器的多諧振模式特性,提出一種差分激勵(lì)新型寬帶貼片天線．通過(guò)引入差分饋電方案,可以在激勵(lì)奇數(shù)階諧振模式的同時(shí),抑制所有不需要的偶數(shù)階諧振模式(如TM02、TM12等)．在貼片上加載4個(gè)短路針額外引入了一個(gè)新的奇數(shù)階諧振模式,適當(dāng)調(diào)整短路針的位置,使前3個(gè)奇數(shù)階諧振模式可以彼此接近,設(shè)計(jì)出一種具有3個(gè)諧振模式的寬帶差分激勵(lì)貼片天線．

1 理論部分

1.1 差分激勵(lì)貼片天線的諧振模式分析

首先,我們對(duì)一個(gè)單端饋電的矩形貼片天線進(jìn)行分析,天線沿x軸的寬邊長(zhǎng)為2a,沿y軸的長(zhǎng)邊長(zhǎng)為2b,如圖1a所示．貼片天線在相對(duì)介電常數(shù)為εr、厚度為h的介質(zhì)基板上蝕刻而成,其前3個(gè)奇數(shù)階諧振模(即TM01、TM21和TM03模)和第1個(gè)偶數(shù)階諧振模(即TM02模),沿長(zhǎng)邊的電場(chǎng)分布如圖1b所示．正如我們所看到的,這些模式的電場(chǎng)分布顯示出沿y軸的駐波模式的特性．具體來(lái)說(shuō),在xoz平面上,奇數(shù)階模式形成理想電壁(E.W.)邊界條件,而偶數(shù)階模式則形成理想磁壁(M.W.)邊界條件．

(a) 結(jié)構(gòu)模型 (b) TM01、TM02、TM21和TM03諧振模式的電場(chǎng)分布

因此,如果矩形貼片天線在(x1,y1)和(x2,y2)這兩個(gè)相對(duì)于x軸的對(duì)稱點(diǎn)處進(jìn)行差分激勵(lì),如圖2所示,那么在貼片天線兩個(gè)饋電點(diǎn)之間始終會(huì)產(chǎn)生一個(gè)虛擬電壁．綜上,根據(jù)邊界條件的唯一性定理,差分饋電方案可以抑制貼片天線所不需要的偶數(shù)階諧振模式,同時(shí)基本上保持原有的奇數(shù)階諧振模式不變．

為了驗(yàn)證這一理論,本文設(shè)計(jì)了一種貼片天線原型,其參數(shù)如下:a=25 mm、b=25 mm、h=4 mm和εr=1,饋電點(diǎn)的位置分別位于(x1,y1)=(0,-24)和(x2,y2)=(0,24),兩個(gè)饋電點(diǎn)的激勵(lì)信號(hào)為等幅反相的差分信號(hào)．與此同時(shí),本文還設(shè)計(jì)了一款尺寸、介質(zhì)基板、厚度以及高度完全相同的單端饋電參考貼片天線來(lái)了進(jìn)行比較分析．圖3顯示了差分饋電天線與單端饋電天線的前3個(gè)諧振模式仿真結(jié)果．兩個(gè)天線都利用電磁仿真軟件HFSS (High Frequency Structure Simulator, HFSS)進(jìn)行建模．可以看出,差分激勵(lì)時(shí),偶數(shù)階諧振模式(即TM02模式)可以被有效抑制．另一方面,奇數(shù)階模式(即TM01和TM21模式)幾乎不會(huì)受到影響．此外,差分激勵(lì)天線的奇數(shù)階諧振模的頻率與參考天線對(duì)應(yīng)的諧振模式的頻率幾乎相同．因此,差分激勵(lì)技術(shù)可以用于設(shè)計(jì)具有多種諧振模式的寬帶貼片天線．

圖2 差分激勵(lì)貼片天線的結(jié)構(gòu) 圖3 矩形貼片天線中偶數(shù)階諧振模的抑制

1.2 帶寬增強(qiáng)技術(shù)

為了實(shí)現(xiàn)貼片天線的寬帶特性,本文在抑制了所有偶數(shù)階諧振模后,額外引入了4個(gè)接地的短路針．這4個(gè)直徑為3 mm的短路針?lè)謩e位于A(-m,n)、A'(-m、-n)、B(m,n)和B'(m,-n),如圖4所示．短路針可以引入一種新的諧振模式,如圖5所示.兩個(gè)饋電點(diǎn)將分別以相同頻率激勵(lì)起兩種不同的諧振模式,兩個(gè)諧振模的電場(chǎng)沿x軸對(duì)稱分布．因此,如果所提出的貼片天線由兩個(gè)饋電點(diǎn)同時(shí)激勵(lì),則可實(shí)現(xiàn)新的諧振模式．應(yīng)該指出的是,圖5c中所示的新諧振模式的電場(chǎng)分布與TM01模式的場(chǎng)分布相似,但其諧振頻率低于TM01模式．當(dāng)所有所需模式(即新諧振模、TM01模和TM21模)均被激勵(lì)時(shí),可通過(guò)調(diào)整短路針的位置,適當(dāng)改變各模式的諧振頻率,使其相互靠近,最終,天線可以在3種諧振模式的共同作用下實(shí)現(xiàn)寬帶特性．

圖4 加載短路針的差分激勵(lì)寬帶天線 圖5 天線新諧振模式的分析

2 天線的設(shè)計(jì)

為了進(jìn)一步驗(yàn)證設(shè)計(jì)方法的有效性,本文設(shè)計(jì)了一種寬帶差分激勵(lì)貼片天線,天線模型的幾何結(jié)構(gòu)如圖6所示．天線主要由兩塊PCB板構(gòu)成,其中包含了1個(gè)金屬接地層、1個(gè)貼片輻射體和4個(gè)短路針．基板1頂部的金屬層用作接地層,而差分饋電網(wǎng)絡(luò)則蝕刻在基板1的底部,如圖6b所示．貼片輻射體位于基板2的頂部,基板2到接地層的高度為h2．2個(gè)饋電點(diǎn)對(duì)稱地位于貼片輻射體的2個(gè)邊緣附近,其另一端連接到饋電網(wǎng)絡(luò)的差分端口．同時(shí),在貼片輻射體與金屬接地層之間對(duì)稱放置4個(gè)短路針．

(a) 三維視圖 (b) 側(cè)視圖

本文所設(shè)計(jì)的天線的工作頻率為3.05～4.75 GHz,此處使用的介質(zhì)基板的介電常數(shù)為3.55,損耗角正切為0.0027．天線的幾何參數(shù)為:h1=0.508 mm,h2=6 mm,W1=5 mm,W2=40 mm,W3=93 mm,L1=12 mm,L2=44 mm,L3=110 mm,饋電探針和短路柱的直徑分別為1.2和3.0 mm．選擇貼片輻射體的中心作為坐標(biāo)原點(diǎn),饋電點(diǎn)位于(0,±33 mm)處．

3 結(jié)果與討論

對(duì)本文所提出的差分天線進(jìn)行了加工與測(cè)試．天線加工照片如圖7所示．S參數(shù)測(cè)量采用安捷倫N5244A網(wǎng)絡(luò)分析儀,仿真和測(cè)量的散射參數(shù)如圖8所示,兩者吻合良好．從圖8中可以看出所設(shè)計(jì)的3個(gè)諧振點(diǎn),該天線的相對(duì)阻抗帶寬可以達(dá)到43.6%(3.05～4.75 GHz)．

圖7 天線的實(shí)物圖片 圖8 天線反射系數(shù)的仿真與測(cè)試結(jié)果

輻射性能通過(guò)近場(chǎng)天線測(cè)量系統(tǒng)進(jìn)行測(cè)量．圖9分別繪制了3.5，4.0和4.5 GHz頻率下測(cè)量的方向圖,并與仿真結(jié)果進(jìn)行了比較．可以發(fā)現(xiàn),天線在工作頻帶的兩個(gè)主平面上具有典型的定向輻射特性．從圖9中還可以發(fā)現(xiàn),由于差分饋電方案,交叉極化水平低于-25 dB．圖10給出了天線的增益和輻射效率．該天線增益的測(cè)量結(jié)果和仿真結(jié)果具有較好的一致性,同時(shí)工作頻帶內(nèi)的輻射效率在88.0%以上．

圖9 不同頻率下的天線方向圖的仿真與測(cè)試結(jié)果

圖10 天線的增益和輻射效率

4 結(jié)論

提出了一種新型差分激勵(lì)的寬帶貼片天線．為了揭示其工作原理,給出了差分激勵(lì)的貼片天線的輻射模式分析和設(shè)計(jì)過(guò)程．為了驗(yàn)證所提設(shè)計(jì)概念的可行性,設(shè)計(jì)、加工并測(cè)試了一個(gè)集成寬帶巴倫的差分驅(qū)動(dòng)天線．仿真測(cè)試結(jié)果表明,該天線能夠同時(shí)激勵(lì)起3個(gè)諧振模式,實(shí)現(xiàn)了43.6%的寬阻抗帶寬,而且在工作頻帶內(nèi)具有良好的交叉極化水平．本文所提出的差分激勵(lì)貼片天線在現(xiàn)代無(wú)線通信系統(tǒng)中具有較好的應(yīng)用前景．