基于加載寄生帶的雙頻天線設(shè)計(jì)

豆明瑛,王詩(shī)音,樊 榮,荀艷麗,楊 斌

(1. 西安明德理工學(xué)院 信息工程學(xué)院, 陜西 西安 710124)

(2. 西安賽普特信息科技有限公司, 陜西 西安 710000)

0 引 言

隨著無(wú)線通信系統(tǒng)的快速發(fā)展,雙頻或多頻天線已成為無(wú)線通信系統(tǒng)最重要的組成部件之一,從而引起了廣泛關(guān)注[1-2]。為了實(shí)現(xiàn)天線雙頻段工作,人們已經(jīng)開(kāi)始了廣泛的研究,并且提出一些天線雙頻段工作的技術(shù),如采用多枝節(jié)金屬帶線[3]、超材料加載[4]或開(kāi)槽加載[5]等技術(shù)。在文獻(xiàn)[3]的設(shè)計(jì)中,天線采用多枝節(jié)金屬分支實(shí)現(xiàn)多頻段工作,但這種設(shè)計(jì)方法通常增加了天線設(shè)計(jì)的復(fù)雜性。超材料加載是實(shí)現(xiàn)天線多頻段工作的一種新方法,但是這種方法設(shè)計(jì)的多頻段天線帶寬比較窄,且設(shè)計(jì)難度大,難以實(shí)際應(yīng)用。開(kāi)槽加載也是一種實(shí)現(xiàn)天線雙頻段工作的有效方法,但是傳統(tǒng)開(kāi)槽方法設(shè)計(jì)的雙頻段天線存在兩個(gè)頻段相互影響的缺點(diǎn),即兩個(gè)頻段不相互獨(dú)立。同時(shí),還有其他一些采用單極子實(shí)現(xiàn)雙頻工作的天線[6-9]。上述天線雖然可以滿足雙頻的要求,但由于天線參數(shù)對(duì)雙頻段相互影響,使得天線設(shè)計(jì)比較困難,這無(wú)疑將增加天線設(shè)計(jì)的復(fù)雜性以及使用的不便性。

本文設(shè)計(jì)了一種微帶饋電的雙頻印刷偶極子天線。該天線通過(guò)在偶極子振臂旁平行放置一根金屬寄生單元,降低天線在高頻段的輸入阻抗,實(shí)現(xiàn)與饋電端口良好的匹配,從而產(chǎn)生一個(gè)新的諧振頻點(diǎn),實(shí)現(xiàn)雙頻段工作。由于改變寄生金屬單元的位置和尺寸只影響高頻段諧振頻點(diǎn),幾乎不影響低頻段諧振頻點(diǎn),而偶極子天線尺寸的改變只影響低頻段諧振頻點(diǎn),不影響高頻段諧振頻點(diǎn),因此,設(shè)計(jì)的天線具有雙頻段相互獨(dú)立的特性,兩個(gè)諧振頻段可根據(jù)需求獨(dú)立設(shè)計(jì),互不影響。

1 天線結(jié)構(gòu)

本文所提出的雙頻段印刷天線的結(jié)構(gòu)如圖1a)所示。天線所用的介質(zhì)基板為相對(duì)介電常數(shù)為4.4、厚度為1.6 mm的環(huán)氧玻璃布層壓板FR-4基板。該天線主要由微帶饋線、平行金屬帶線、印刷偶極子和寄生金屬條帶組成。天線的饋電部分由微帶饋電線和平行金屬帶線共同組成。所用微帶饋線的寬度wr為3 mm,特性阻抗為50 Ω。微帶饋線、印刷偶極子天線右邊振臂、寄生金屬條帶和平行金屬帶線的上層帶線印刷在介質(zhì)基板的頂層,如圖1b)所示。而偶極子天線的左振臂、平行金屬帶線的下層帶線以及接地地板印刷在介質(zhì)基板的底層,如圖1c)所示。

圖1 雙頻段印刷天線結(jié)構(gòu)示意圖

該雙頻段印刷天線的設(shè)計(jì)思路如下:第一步,與常規(guī)印刷偶極子天線一樣,通過(guò)調(diào)整印刷偶極子天線的臂長(zhǎng)d1和臂寬w1,可以調(diào)整天線在低頻段的工作頻點(diǎn),如2.4 GHz,從而通過(guò)調(diào)整饋電結(jié)構(gòu)改善天線阻抗匹配特性。第二步,將寄生金屬條帶平行放置在基板的頂層。當(dāng)寄生金屬條帶接近偶極子的振臂時(shí),會(huì)引入另一個(gè)由寄生金屬條帶長(zhǎng)度所決定的諧振頻點(diǎn)。通過(guò)調(diào)節(jié)寄生金屬條帶的長(zhǎng)度d2和寬度w2,可以改變?cè)撔乱胫C振頻點(diǎn)的位置,此處將新的諧振頻段設(shè)置在5.2GHz的頻點(diǎn)處,實(shí)現(xiàn)覆蓋2.4GHz和5.2 GHz頻段的雙頻段印刷天線。此外,可以通過(guò)調(diào)節(jié)寄生金屬條帶與基板頂層偶極子振臂之間的距離來(lái)改善天線的阻抗匹配特性。

2 實(shí)驗(yàn)結(jié)果與討論

通過(guò)優(yōu)化程序?qū)λO(shè)計(jì)天線的尺寸進(jìn)行優(yōu)化,最終得到天線的最佳尺寸。w1=2.0mm,w2=1.5mm,d=20mm,d1=24mm,d2=16mm,a=20mm,S=1 mm,g=4 mm。為了驗(yàn)證本文所設(shè)計(jì)天線的性能,加工了天線實(shí)物并進(jìn)行測(cè)試。

圖2給出了加工天線的實(shí)物照片,該天線的外形尺寸為50 mm×60 mm。天線采用一個(gè)50 Ω的SMA連接接頭進(jìn)行饋電,用于測(cè)量天線的性能。天線的反射系數(shù)特性通過(guò)安捷倫E8363B矢量網(wǎng)絡(luò)分析儀進(jìn)行測(cè)量,而天線的輻射性能則是通過(guò)SATIMO天線近場(chǎng)測(cè)量系統(tǒng)進(jìn)行測(cè)量。

圖2 加工天線實(shí)物照片

圖3給出了天線反射系數(shù)的仿真和測(cè)試結(jié)果,同時(shí)也給出天線無(wú)寄生金屬條帶加載時(shí)的反射系數(shù)仿真結(jié)果作為參考。如圖3所示,無(wú)金屬條帶加載的偶極子天線只有一個(gè)諧振點(diǎn)(2.4 GHz頻段),而當(dāng)引入一個(gè)平行加載的金屬條帶時(shí),在天線的高頻段(5.2 GHz頻段)會(huì)產(chǎn)生一個(gè)新的諧振頻點(diǎn),可實(shí)現(xiàn)雙頻工作。同時(shí),根據(jù)仿真結(jié)果可知,當(dāng)引入新的諧振頻點(diǎn)后(5.2 GHz頻段),對(duì)原始的工作頻點(diǎn)(2.4 GHz頻段)幾乎不產(chǎn)生影響。

圖3 天線反射系數(shù)仿真和測(cè)試結(jié)果

根據(jù)測(cè)試結(jié)果可知,天線反射系數(shù)的測(cè)試結(jié)果與仿真結(jié)果吻合良好。天線在較低頻段,獲得了12.5%的阻抗帶寬(S11<-10dB),對(duì)應(yīng)頻率范圍為2276MHz～2 580 MHz。對(duì)于較高頻段,S11<-10 dB的阻抗帶寬為7.76%,對(duì)應(yīng)頻率范圍為5 162 MHz～5 582 MHz?？梢钥闯?低頻段和高頻段的阻抗帶寬分別覆蓋了2.4 GHz和5.2 GHz的無(wú)線局域網(wǎng)工作頻段,證明該天線可以良好地工作在雙頻段。

為了進(jìn)一步了解寄生金屬條帶對(duì)天線性能的影響,對(duì)寄生金屬條帶和偶極子的長(zhǎng)度進(jìn)行了參數(shù)分析。圖4給出寄生金屬條帶參數(shù)的變化對(duì)天線阻抗匹配的影響。

圖4 寄生金屬條帶參數(shù)對(duì)天線阻抗匹配的影響

如圖4a)所示,高頻段諧振頻點(diǎn)主要由寄生金屬條帶的長(zhǎng)度d2決定。隨著寄生金屬條帶長(zhǎng)度的減小,高頻段諧振頻點(diǎn)向更高的頻段移動(dòng)。但寄生金屬條帶長(zhǎng)度的變化,對(duì)低頻段諧振頻點(diǎn)的影響很小。圖4b)給出寄生金屬條帶與印刷偶極子天線振臂間距S的變化對(duì)天線阻抗匹配的影響。隨著S的減小,阻抗匹配得到了改善。當(dāng)間距S=1 mm時(shí),天線具有良好的阻抗匹配。

由于印刷偶極子天線的影響參數(shù)較多,這里只對(duì)印刷偶極子天線的振臂長(zhǎng)度d1進(jìn)行參數(shù)分析。d1對(duì)反射系數(shù)的影響如圖5所示。由圖5可知,天線的低頻段諧振頻點(diǎn)主要由d1決定,而d1的尺寸改變對(duì)高頻段諧振頻點(diǎn)幾乎不產(chǎn)生影響。這意味著所設(shè)計(jì)的天線具有雙頻段相互獨(dú)立特性,因此,天線的兩個(gè)諧振頻段可根據(jù)需求獨(dú)立設(shè)計(jì)。

圖5 參數(shù)d1對(duì)阻抗匹配的影響

圖6分別給出了天線在2.4 GHz和5.2 GHz頻段的仿真和實(shí)測(cè)輻射方向圖。由圖6可知,天線在2.4 GHz和5.2 GHz這兩個(gè)工作頻段的輻射模式是全向輻射。對(duì)于這兩個(gè)諧振頻段來(lái)說(shuō),E面上的輻射特性仍然可以等效為一個(gè)偶極子天線,而H面上的輻射特性則受到饋電結(jié)構(gòu)的影響,在高頻段出現(xiàn)少許畸變,但在天線主輻射方向仍然能實(shí)現(xiàn)有效波束輻射。根據(jù)測(cè)試結(jié)果可知,天線在2.4 GHz和5.2 GHz頻段上的前后比分別為6.55 dB和11.40 dB。天線在E面輻射方向圖中,水平方向的衰減主要是由于饋電結(jié)構(gòu)的影響造成的,減小饋電結(jié)構(gòu)的尺寸,可以有效改善輻射方向圖的畸變,實(shí)現(xiàn)良好的空間輻射。

圖6 天線不同頻點(diǎn)仿真和實(shí)測(cè)輻射方向圖

圖7給出了天線在不同頻段的增益測(cè)試結(jié)果。如圖7所示,該天線在2.4GHz頻段的峰值增益約為5.22 dBi,增益變化較小。而在5.2 GHz頻段上,天線的最大增益約為2.54 dBi,對(duì)應(yīng)的頻點(diǎn)為5.4 GHz。天線在高頻段的增益相對(duì)較低,主要由兩方面原因造成。一方面,實(shí)測(cè)方向圖在高頻段E面出現(xiàn)了不對(duì)稱分布,導(dǎo)致功率分散,增益下降。另一方面,該天線加工時(shí)采用的介質(zhì)基板是普通的FR-4基板,其本身在微波頻段就有約10%的介質(zhì)損耗,在較高的頻段(5.2 GHz頻段)該介質(zhì)損耗會(huì)進(jìn)一步增大。若在實(shí)際應(yīng)用中,采用損耗低且在覆蓋2.4 GHz和5.2 GHz頻段損耗變化差別不大的介質(zhì)板,會(huì)降低高頻段和低頻段的增益差,更有利于滿足雙頻段工作需求。

圖7 天線在兩個(gè)工作頻段的增益

3 結(jié)束語(yǔ)

本文設(shè)計(jì)并制作了一種雙頻段印刷天線。該天線采用簡(jiǎn)單有效、易于實(shí)現(xiàn)的饋電結(jié)構(gòu)對(duì)天線進(jìn)行饋電,并在2.4 GHz和5.2 GHz兩個(gè)頻段對(duì)天線進(jìn)行仿真分析和測(cè)試。通過(guò)仿真分析可知,改變印刷偶極子振臂的尺寸和寄生金屬條帶的尺寸及位置,可以很方便地設(shè)計(jì)所需的低頻段和高頻段工作頻點(diǎn)。通過(guò)參數(shù)分析可知,偶極子天線的尺寸對(duì)天線高頻段的性能影響很小,而寄生金屬條帶的尺寸及位置對(duì)天線低頻段的性能影響也微乎其微。因此,天線的兩個(gè)諧振頻段可根據(jù)需求獨(dú)立設(shè)計(jì),具有雙頻獨(dú)立的優(yōu)點(diǎn)。