基于啞鈴型缺陷地結(jié)構(gòu)的多頻微帶貼片天線設(shè)計

葉朝陽

(北京郵電大學(xué) 國際學(xué)院 北京 100876)

0 引言

為適應(yīng)無線通信的發(fā)展,多頻帶天線的設(shè)計已成為研究熱點[1-2]。文獻[3-5]通過在貼片或接地板刻蝕槽縫的方式,激勵多個諧振模式,從而實現(xiàn)多頻工作模式。文獻[6-8]采用幾何分形結(jié)構(gòu)的方法設(shè)計出滿足多頻帶工作及小型化目標(biāo)的天線。文獻[9-11]使用超材料實現(xiàn)天線多頻帶工作。文獻[12]通過地在其近場加載折疊線階躍阻抗諧振器(Stepped Impedance Resonators,SIR),實現(xiàn)了雙頻全向輻射的天線設(shè)計。

微帶貼片天線具有低剖面、低損耗、方便加工和易于集成等優(yōu)勢,貼片及接地板刻蝕槽縫的方法因為易于集成,易于加工而被廣泛應(yīng)用。

文獻[13]通過在矩形貼片表面刻蝕U形和H形槽縫的方式,設(shè)計了雙頻微帶天線,工作頻率為1.85 GHz和2.45 GHz,并從表面電流分布的角度分析了不同參數(shù)對諧振頻率的影響。

缺陷地結(jié)構(gòu)(Defected Ground Structure, DGS)是在微帶線、共面波導(dǎo)等傳輸線的金屬接地板上刻蝕周期或非周期的各種柵格結(jié)構(gòu),改變傳輸線的分布電感和分布電容,使傳輸線具有帶隙特性和慢波特性[14]。

DGS具有多種形式:線性槽、環(huán)形槽、U型槽、互補開口環(huán)諧振器(Complementary Split-Ring Resonator,CSRR)以及螺旋型DGS等。

文獻[15]提出了一種通過加載E型單元DGS結(jié)構(gòu)滿足WiMAX以及WLAN應(yīng)用的多頻天線。天線同時工作在2.56 GHz(WiMAX)、3.64 GHz(WiMAX)和5.8 GHz(WLAN)這3個頻點,可通過調(diào)整E型結(jié)構(gòu)參數(shù)完成多個諧振頻點的實現(xiàn)。文獻[16]分別將2種不同的DGS結(jié)構(gòu)(矩形槽以及三角形槽)加載到矩形貼片天線的接地板上,實現(xiàn)了3個諧振頻點工作,其工作頻率覆蓋空管監(jiān)視(Airport Surveillance 2.7～2.9 GHz)、WiMAX(5.8 GHz)或WLAN(5.8 GHz)以及歐洲直播衛(wèi)星(Europe DBS 10.7～12.75 GHz)。文獻[17]構(gòu)造了雙X型槽縫的DGS,分別加載到羅杰斯5880 和羅杰斯4350兩種介質(zhì)基板上,比較了加載DGS對天線的性能的影響。通過加載DGS,可實現(xiàn)帶寬增加和尺寸的減小。

本文設(shè)計了一款在貼片刻蝕雙三角形套環(huán)并在接地金屬板加載啞鈴型缺陷地結(jié)構(gòu)(Dumbbell DGS, DB-DGS)的矩形微帶貼片天線。利用電磁仿真軟件CST STUDIO SUITE對天線結(jié)構(gòu)進行參數(shù)仿真和優(yōu)化。天線同時工作在2.45 GHz(WLAN)、 3.5 GHz(WiMAX)和5.25 GHz(WLAN)這3個諧振頻點,天線的回波損耗、帶寬以及增益等性能指標(biāo)較好,阻抗匹配良好。與其他具有DGS的天線相比,本文提出的三頻段天線輻射性能較好,DGS的設(shè)計較為簡單,易于加工制作。

1 DB-DGS的分析與等效電路

第一個DGS由Ahn等[18]學(xué)者提出,由于形狀像啞鈴而得名,它是由一個縫隙連接2個矩形而成,矩形邊長分別為a和b,狹縫的長度為s,寬度為g,DB-DGS如圖1所示。

圖1 DB-DGS Fig.1 DB-DGS

根據(jù)的頻率響應(yīng)曲線,可將DB-DGS等效為一個集總參數(shù)電路。DB-DGS等效電路模型如圖2所示。

圖2 DB-DGS等效電路模型Fig.2 Equivalent circuit mode of DB-DBS

根據(jù)DB-DGS滿足LC電路的諧振條件,ω02=1/LC,因此,等效電容C和等效電感L的計算如下:

(1)

(2)

式中:C為等效電容,L為等效電感,Z0為輸入/輸出特性阻抗,ω0為LC諧振電路的諧振角頻率,f0為諧振頻率,ωc為3 dB角頻率。

文獻[19]對DB-DGS以及多種折疊形式的DB-DGS進行了深入的探討。文獻[20]討論了DB-DGS的尺寸參數(shù)對天線傳輸性能的影響。改變DB-DGS的尺寸、位置以及加載DB-DGS的重復(fù)數(shù)量可以改變傳輸線分布電容和分布電感,進而改善阻抗帶寬、降低回波損耗以及縮小天線尺寸。

2 矩形貼片天線的分析設(shè)計

天線設(shè)計需對天線性能指標(biāo)綜合權(quán)衡,在滿足指定諧振頻率回波損耗要求的基礎(chǔ)上,主要權(quán)衡以下幾個方面:帶寬、天線增益、天線尺寸、介質(zhì)材料成本和工藝復(fù)雜性等。本文選取廣泛使用的環(huán)氧樹脂(FR4 Epoxy)介質(zhì)基板,其相對介電常數(shù)εr=4.4,厚度h=1.6 mm,損耗正切tanδ=0.025,貼片和接地板材質(zhì)為銅,厚度35 μm,介質(zhì)基板和接地板的尺寸相同,長50 mm,寬55 mm。

天線的饋電方式選取同軸饋電方式,提供50 Ω匹配負(fù)載,由于同軸線與天線不在同一平面上,可有效抑制來自饋電網(wǎng)絡(luò)的雜散輻射,同軸饋電位置為Xf。

貼片天線的寬度為w,長度為l,fr為天線的諧振頻率,εr為介質(zhì)基板的相對介電常數(shù),c為自由空間光速(c=3×108m/s),εeff和Δl分別為有效介電常數(shù)和等效輻射槽縫長度。天線的尺寸根據(jù)微帶天線設(shè)計理論完成初步設(shè)置[21]。

(3)

(4)

(5)

(6)

天線結(jié)構(gòu)如圖3所示。

(a)天線正視圖

(b)天線側(cè)視圖(同軸饋電)

天線的諧振頻率指定為2.45、3.5、5.25 GHz。以2.45 GHz為諧振頻率,將介質(zhì)基板參數(shù)代入公式,計算得矩形貼片天線的初始尺寸,貼片寬度w為37 mm,長度l為28 mm。經(jīng)仿真優(yōu)化,長度l為27.5 mm,同軸饋電的位置Xf為7 mm。天線在諧振頻點2.45 GHz處的回波損耗為-20 dB,如圖4所示。

3 加載DB-DGS和三角套環(huán)的天線分析設(shè)計

為實現(xiàn)天線在多個指定頻帶同時工作,在天線貼片上刻蝕2個三角套環(huán)槽并在接地板加載DB-DGS。遠離貼片中心點為三角套環(huán)1,接近貼片中心點為三角套環(huán)2。三角套環(huán)1的外側(cè)和內(nèi)側(cè)外接圓半徑分別用R1、R2表示,三角套環(huán)2的外側(cè)和內(nèi)側(cè)外接圓半徑分別用R3、R4表示,2個三角套環(huán)距離貼片中心的位置坐標(biāo)分別用(X1,Y1)和(X2,Y2)表示。DB-DGS的兩側(cè)矩形邊長為a(矩形的長度和寬度相同),中間狹縫長為s,狹縫寬度為g,啞鈴狹縫的中心距離地板中心點的位置坐標(biāo)用(Dx,Dy)表示。加載DB-DGS以及三角套環(huán)的貼片天線結(jié)構(gòu)如圖5所示。

(a)天線正視圖

(b)接地板底視圖

經(jīng)仿真優(yōu)化,天線的結(jié)構(gòu)參數(shù)如表1所示。

表1 天線的結(jié)構(gòu)參數(shù)

天線的參數(shù)掃描和優(yōu)化是天線設(shè)計的重要步驟。天線的參數(shù)掃描圍繞主要參數(shù)展開,在設(shè)計中,按照參數(shù)對諧振頻率的影響顯著性分為以下四部分。

3.1 DB-DGS的狹縫長s對諧振頻率的影響

狹縫長s從8.6 mm增加到14.6 mm,低頻點2.45 GHz附近的頻率特性向高頻有較小偏移;在中頻點3.5 GHz以及高頻點5.25 GHz附近的頻率特性明顯向低頻偏移,并且回波損耗值減小,天線匹配良好。仿真優(yōu)化后的s取值14.6 mm。狹縫長s對諧振頻率的影響如圖6所示。

圖6 狹縫長s對諧振頻率的影響Fig.6 Effect of slit length s on resonant frequency

3.2 DB-DGS的矩形邊長a對諧振頻率的影響

在狹縫長s取值14.6 mm基礎(chǔ)上,矩形邊長a從2.8 mm增加到5.8 mm。低頻點2.45 GHz附近的頻率特性向高頻有較小偏移;在中頻點3.5 GHz和高頻點5.25 GHz附近的頻率特性向低頻偏移顯著,同時回波損耗值明顯減小,天線匹配良好。由DB-DGS等效電路模型可知,隨著a的增大,電感增大明顯,諧振頻率減小。經(jīng)仿真優(yōu)化,a取值5.8 mm。邊長a對諧振頻率的影響如圖7所示。

圖7 邊長a對諧振頻率的影響Fig.7 Effect of side length a on resonant frequency

3.3 DB-DGS的狹縫寬度g對諧振頻率的影響

狹縫寬度g從0.5 mm增加到0. 8 mm,低頻點2.45 GHz附近的頻率特性沒有明顯變化;在中頻點3.5 GHz附近的頻率特性向高頻偏移,但回波損耗值增大。隨著g的增大,電容減小明顯,諧振頻率增大,與DB-DGS等效電路模型分析一致;在高頻點5.25 GHz附近的頻率特性沒有偏移,回波損耗值逐漸減小,天線匹配良好。經(jīng)仿真優(yōu)化,g取值為0.8 mm。狹縫寬度g對諧振頻率的影響如圖8所示。

圖8 狹縫寬度g對諧振頻率的影響Fig.8 Effect of slit width g on resonant frequency

3.4 三角套環(huán)1外接圓半徑R1對諧振頻率的影響

在貼片上刻蝕的三角套環(huán),可以改變貼片表面電流的分布。在不同的特征模式下,槽縫對表面電流的影響不同。當(dāng)貼片上的電流被槽縫阻隔時,電流路徑變長,根據(jù)天線電尺寸與諧振頻率成反比的規(guī)律,會導(dǎo)致諧振頻率減小。此外,槽縫結(jié)構(gòu)之間的相互影響也會導(dǎo)致諧振頻率的變化。

三角套環(huán)1的外接圓半徑R1從4.1 mm增加到7.1 mm。低頻點2.45 GHz附近的頻率特性沒有明顯變化;在中頻點3.5 GHz附近的頻率特性向低頻偏移,同時回波損耗值減小,天線匹配良好;在高頻點5.25 GHz附近的頻率特性沒有明顯變化,回波損耗值逐漸減小。經(jīng)仿真優(yōu)化,R1取值7.1 mm。外接半徑R1對諧振頻率的影響如圖9所示。

圖9 外接半徑R1對諧振頻率的影響Fig.9 Effect of external radius R1 on resonant frequency

4 結(jié)果討論

經(jīng)優(yōu)化設(shè)計,天線在2.45、3.5、5.25 GHz處諧振,滿足工作需求。天線回波損耗值S11小于-10 dB阻抗帶寬為80 MHz(2.4～2.48 GHz)、120 MHz(3.44～3.56 GHz)和260 MHz(5.11～5.37 GHz),回波損耗值分別為-20.8、-20.6 、-24.0 dB。天線回波損耗結(jié)果如圖10所示。

圖10 天線回波損耗結(jié)果Fig.10 Return loss result of the antenna

天線的輻射方向圖及3D增益如圖11所示,由諧振頻點的方向圖可知,天線的輻射性能良好;由3D增益可知,天線在2.45、3.5、5.25 GHz三個諧振頻率點的增益分別為2.8、2.2、3.1 dBi。

(a)2.45 GHz處的方向圖及3D增益

(b)3.5 GHz處的方向圖及3D增益

(c)5.25 GHz處的方向圖及3D增益

通過貼片開槽和加載DB-DGS,經(jīng)仿真優(yōu)化,天線貼片的尺寸由27.5 mm×37 mm變?yōu)?8.05 mm×28.2 mm,面積減小了22%。

將本文設(shè)計的多頻微帶天線與同類天線的性能對比,如表2所示。5款天線的共同點是應(yīng)用場景都包含WLAN或WiMAX頻段。本文設(shè)計的天線在貼片刻蝕槽縫并加載了DB-DGS,文獻[15]加載了E型單元DGS,與其相比,本文諧振頻率點的回波損耗值更低;文獻[16]采用2種方式加載DGS,分別是三角形槽和方形槽DGS。理論上,對諧振頻點的要求是回波損耗值低于-10 dB。相較于該文獻2種結(jié)構(gòu)下諧振頻點的回波損耗值-12、-11 dB,本文設(shè)計的天線阻抗匹配良好;與文獻[22]的2個諧振頻點相比,本文有3個諧振頻點,只需一個天線就可同時滿足多頻帶應(yīng)用需要。

經(jīng)印制電路板刻蝕技術(shù)制作天線實物,為防止氧化,在銅表面使用鍍錫工藝,加工的天線如圖12所示。使用網(wǎng)絡(luò)分析儀對天線進行回波損耗測試的結(jié)果如圖13所示。經(jīng)實際加工測試,驗證了設(shè)計方案的可行性。結(jié)果表明,天線在2.40、3.44、5.16 GHz三個諧振頻率點的S11值分別為-15、-30、 -25 dB。測量和仿真結(jié)果存在差異,這種情況是由制造中出現(xiàn)的工藝誤差以及測試環(huán)境因素影響造成的。

圖12 加工的天線Fig.12 Machined antenna

圖13 網(wǎng)絡(luò)分析儀回波損耗測試結(jié)果Fig.13 Return loss results tested on network analyzer

5 結(jié)束語

本文通過貼片刻蝕槽縫以及在接地板加載DB-DGS的方法,實現(xiàn)了一款可同時工作在2.45、3.5、5.25 GHz三個諧振頻點的多頻化天線,滿足WLAN和WiMAX應(yīng)用;天線取自廣泛使用的環(huán)氧樹脂(FR4 Epoxy)介質(zhì)基板,槽縫加工較為簡單,回波損耗值、帶寬以及增益特性較好,在滿足指定工作頻率的基礎(chǔ)上,輻射特性及阻抗匹配良好。通過分析DB-DGS的等效電路,選取DB-DGS加載到接地板,并對貼片槽縫以及DB-DGS的關(guān)鍵參數(shù)進行分析,可為天線分析設(shè)計提供參考。