史志瑋 ,劉運(yùn)林,張 文

(1.西南交通大學(xué) 電磁場與微波研究所,成都 610031;2.內(nèi)江師范學(xué)院 工程技術(shù)學(xué)院,四川 內(nèi)江641112)

1 引 言

當(dāng)今無線通信技術(shù)快速發(fā)展,推動著通信系統(tǒng)向小型化、集成化以及高性能化方向發(fā)展。天線作為通信系統(tǒng)中發(fā)射和接收無線信號關(guān)鍵性設(shè)備,其性能將對通信系統(tǒng)產(chǎn)生最直接的影響。2002年2月,美國聯(lián)邦通信協(xié)會(FCC)通過決議,規(guī)定超寬帶的頻率范圍定義為從3.1 GHz到10.6 GHz,并且規(guī)定:除了用于雷達(dá)、安全應(yīng)用等領(lǐng)域處,還可以應(yīng)用于穿透成像、汽車?yán)走_(dá)、通信、測量、短距離無線通信和GPR(Ground Penetrating Radar)等眾多場合,這使超寬帶通信技術(shù)成為短距離、高速度民用無線通信系統(tǒng)中很有前景的解決方案,引起了工業(yè)界、學(xué)術(shù)界的極大研究熱情[1],作為通信系統(tǒng)中的重要部件的超寬帶天線,也就成為超寬帶技術(shù)的一個研究熱點(diǎn)和難點(diǎn)。

近年來,研究人員對超寬帶天線的設(shè)計開展了大量的研究工作[2-5],其中大多為平行于接地板結(jié)構(gòu),以超寬帶平面印制單極子微帶天線[2]或接地板寬縫隙結(jié)構(gòu)[3-5]居多,饋電方式一般為微帶線饋電或共面波導(dǎo)饋電。文獻(xiàn)[3]提出了一種對接地板開出矩形寬縫隙結(jié)構(gòu),提高了阻抗帶寬。文獻(xiàn)[4]提出一種基于平面倒錐天線概念的印制縫隙天線,實現(xiàn)了超寬帶特性。文獻(xiàn)[5]提出一種改進(jìn)的小型平面倒錐縫隙天線,天線尺寸有了一定的減小;對提出的天線進(jìn)行了仿真分析,結(jié)果顯示天線帶寬為2.2～16 GHz。這些天線設(shè)計具有超寬帶特性,但其天線尺寸較大,相對波長尺寸約為0.5λg,需要進(jìn)一步縮減,且此類型的超寬帶天線無法與具有金屬背板器件集成。

天線的小型化寬帶研究還有四分之一波長寬帶U型槽短路墻加載技術(shù)[6-7],或短路針加載方法[7-8]。折疊寬帶微帶貼片天線[9]使與同軸饋線相連的輻射貼片向接地板彎折,減小饋電探針的長度,從而減小探針引入的電感,使天線的帶寬增加。文獻(xiàn)[10]提出了半U型縫隙貼片天線,根據(jù)天線輻射貼片上電流對稱原理,縮減一半天線尺寸,不會改變貼片上電流的分布,使之具有與全尺寸的微帶貼片天線近似的阻抗帶寬、增益、方向圖等電特性。

本文綜合文獻(xiàn)[6-10]中的短路墻加載、U型縫貼片結(jié)構(gòu)、半尺寸結(jié)構(gòu)、折疊貼片天線方法等,設(shè)計了一種小型半U型縫隙超寬帶折疊微帶貼片天線,實測天線帶寬為50.5%,比文獻(xiàn)[10]中帶寬14.6%提高35.9%,相比文獻(xiàn)[6]四分之一波長U型縫隙天線,相對尺寸更小,帶寬增加23.5%。

2 天線結(jié)構(gòu)設(shè)計

微帶天線是一種諧振式天線,通過增加天線介質(zhì)的厚度來降低其等效電路中的Q值,可以使天線帶寬增加。但同軸饋線內(nèi)芯長度增加會使電感增加而減小帶寬,使用折疊貼片饋電方法可以解決這一矛盾。另外,一些貼片天線能具有寬帶的主要原因是天線有兩個相互接近的諧振頻率,如U型槽矩形天線。根據(jù)電流對稱原理,減小一半天線尺寸,半U型槽矩形天線也具有雙頻特性并能形成寬帶[10]。

本文提出一種小型半U型縫隙折疊超寬帶微帶天線,結(jié)構(gòu)如圖1所示,該天線尺寸為 a×b,具有雙層結(jié)構(gòu),與同軸線饋電相連的輻射貼片高度h1小于上層輻射貼片的高度 h2。上層輻射貼片在距離右側(cè)邊緣k處被剪裁出一個c×d的矩形開口。天線的左側(cè),采用短路墻加載將上層輻射貼片與地板相連接。下層輻射貼片尺寸為e×f,其右端采用短路墻加載將上下層輻射貼片連接在一起,就像是將上層貼片天線在這個部分進(jìn)行了一個折疊一樣,即圖上所示的折疊部分。從俯視圖上看,下層的輻射貼片與上層輻射貼片之間存在一個半U形的縫隙。天線采用50 Ψ同軸線饋電,饋電點(diǎn)的位置設(shè)置在x方向靠近輻射貼片邊緣,在y方向距離天線下層輻射貼片與上層輻射貼片短路墻x處。

圖1 天線結(jié)構(gòu)圖Fig.1 Structure of the antenna

3 天線仿真與測試結(jié)果分析

通過調(diào)整貼片參數(shù),改變縫隙位置、縫隙寬度,以及兩層輻射貼片高度,得到了四分之一波長小型化超寬帶微帶天線。優(yōu)化后的天線參數(shù)值如表1所示。

表1 天線的參數(shù)值Table 1 The value of parameters

根據(jù)表1中的參數(shù)值制作了天線模型,如圖2所示,并使用矢量網(wǎng)絡(luò)分析儀Agilent E5071C對天線的阻抗帶寬進(jìn)行了測量。天線的仿真與實測輸入阻抗帶寬對比如圖3所示。從仿真結(jié)果看,天線電壓駐波比在2以下的阻抗帶寬為4.3～6.4 GHz。天線在整個工作頻段內(nèi)有兩個諧振頻率點(diǎn),分別位于4.6 GHz和6.1 GHz。天線具有2.1 GHz絕對帶寬及39.3%的相對帶寬。以仿真帶寬的低頻點(diǎn)4.3 GHz計算,天線的尺寸為 0.26λg×0.11λg。實測結(jié)果顯示天線在3.86～6.47GHz頻段上電壓駐波比小于2,具有2.61 GHz絕對帶寬和50.5%相對帶寬。實測天線的低頻諧振頻率要比仿真得到的低頻諧振小,以實測帶寬的低頻點(diǎn)3.86 GHz計算,天線的相對波長尺寸為0.23λg×0.10λg。仿真帶寬曲線與實測帶寬曲線在小于6.5 GHz的部分吻合得非常好。值得注意的是,天線從3.53 GHz到矢量網(wǎng)絡(luò)分析儀Agilent E5071C的最大量程8.5 GHz頻段上的電壓駐波比小于3,可以滿足工程應(yīng)用的需求,帶寬超過82.6%。誤差主要來源于天線手工制作時精度不夠引起的誤差,還與測量儀器本身的精度及測量環(huán)境等有關(guān)。

圖2 天線實物模型Fig.2 The fabricatedmodel of the antenna

圖3 天線仿真與實測帶阻抗帶寬對比Fig.3 The comparison between the simulated and measured results

圖4 為天線在兩個諧振頻率上的電流分布仿真示意圖。天線工作在低諧振頻率4.6 GHz時,電流主要在上層輻射貼片沿路徑L1分布,此時電流路徑長度為諧振頻率所對應(yīng)波長的1/4。天線工作在高頻諧振頻率6.1 GHz時,輻射貼片上電流主要沿兩條路徑分布,一路從上層貼片開口處向左流向接地板,即路徑L2,路徑長度為諧振頻率所對應(yīng)波長的1/4,另一路從開口處向右,從上層輻射貼片經(jīng)折疊短路面流向下層輻射貼片,即路徑L3。路徑L3長度約為諧振頻率所對應(yīng)波長的1/2。從圖上可以看出,沿路徑L3分布的電流比沿路徑L2分布的電流大得多,對天線高頻工作時輻射起主要作用。

圖4 天線諧振頻率上的電流分布Fig.4 The current distribution of the antenna at resonant frequencies

圖 5 為天線 在 4.4 GHz、5 GHz、5.6 GHz和6.2 GHz上的仿真輻射方向圖。實線代表天線的XOZ面輻射方向圖,虛線代表天線的YOZ面輻射方向圖。從圖中可以看到,盡管該天線的工作帶寬超過50%,天線在整個頻段中的輻射性能基本保持穩(wěn)定,并沒有劇烈的波動。天線在XOZ面輻射方向圖在低頻變化比較平緩,在0°有一定的衰減,在180°左右天線的輻射最小。當(dāng)天線頻率提高到6.2 GHz時,出現(xiàn)了一些畸變和失真。XOZ面最大輻射方向在-30°到-90°方向上。YOZ面的輻射方向圖同XOZ 面類似,最大輻射方向在-30°到-90°方向;在低頻上基本保持輻射的穩(wěn)定,在高頻上 YOZ面在90°到180°方向有一些畸變和失真。產(chǎn)生的原因可能是天線尺寸小,高頻時電流在貼片上的分布不均 勻造成的。

圖5 天線的輻射方向圖Fig.5 The radiation patterns of the antenna

天線的增益仿真曲線如圖6所示?？梢?天線的增益隨著頻率的升高而升高,主要原因是在低頻時,天線經(jīng)饋電耦合由上層輻射貼片向外輻射信號,頻率升高后天線向外輻射是由上層貼片與下層輻射貼片共同作用。該天線在工作帶寬上的平均增益約為4.3 dB,最大增益約為5.8 dB,增益的變化范圍小于2.6 dB。天線增益在工作帶寬上變化比較平緩,波動范圍較小,有利于信號的傳輸。

圖6 天線的增益Fig.6 The gain of the antenna

4 結(jié) 論

本文提出了一種適用于超寬帶應(yīng)用的小型半U型縫折疊貼片天線。該天線通過增加天線高度、采用折疊貼片及半U型縫隙結(jié)構(gòu)等技術(shù),減小了天線尺寸,增加了天線帶寬;采用同軸線饋電方式,可以與具有金屬背板的設(shè)備集成,具有抗金屬性。仿真優(yōu)化了天線參數(shù),并制作了天線實物模型,使用矢量網(wǎng)絡(luò)分析儀E5071C測量了天線的阻抗帶寬。天線整體尺寸為18 mm×7.5 mm×7 mm,相對尺寸為0.23λg×0.10λg×0.09λg,經(jīng)過測量,天線可以工作在3.86～6.47 GHz,絕對帶寬為2.61 GHz,相對帶寬為50.53%。天線在3.53 GHz到超過8.5 GHz頻段上的電壓駐波比小于3,可以滿足工程應(yīng)用的需求,帶寬超過82.6%。仿真輻射方向圖在天線帶寬范圍內(nèi)在基本保持穩(wěn)定,具有近似的全向輻射特性且天線在帶寬上具有3～5.8 dB的增益性能。此天線結(jié)構(gòu)簡單,成本低,易于制造和集成在移動通信設(shè)備中。天線絕對尺寸可通過填充介質(zhì)進(jìn)一步縮減,填充介質(zhì)后天線的特性可以作進(jìn)一步研究。

[1]ReedF H.An introduction to Ultra WidebandCommunication Systems[M].New York:Prentice Hall Press,2005.

[2]Reza Z,Abdolali A.A very compact ultrawideband printed omnidirectional monopole antenna[J].IEEE Antennas and Wireless Propagation Letters,2010(9):471-473.

[3]Bao X L,Ammann M J.Printed Band-Rejection UWB Antenna with H-shpaed Slot[C]//Proceedings of 2007 International Workshop on Antenna Technology:Small and Smart Artennas Metamaterials and Applications.Cambridge:IEEE,2007:319-322.

[4]Cheng S,Rydberg A.Printed Slot Planar Inverted Cone Antenna for Ultrawideband Applications[J].IEEEAntennas and Wireless Propagation Letters,2008(7):18-21.

[5]張倩,劉運(yùn)林,李智勇,等.一種改進(jìn)的小型化超寬帶平面倒錐縫隙天線[J].電訊技術(shù),2010,50(11):85-89.ZHANG Qian,LIU Yun-lin,LI Zhi-yong,et al.A Modified Miniature Ultrawideband(UWB)Printed PICA-like Solt Antenna[J].Telecommunication Engineering,2010,50(11):85-89.(in Chinese)

[6]Guo Y X,Shackelford A,Lee K,et al.Broadband quarterwavelength patch antennas with a u-shaped slot[J].Microwave and Optical Technology Letters,2001,28(5):328-330.

[7]Shackelford A K,Lee K F,Luk K M.Design of small-size wideband microstrip-patch antennas[J].IEEE Antennas PropagationMagazine,2003,45(1):75-83.

[8]Shackelford A K,Lee K F,Luk K M,et al.U-slot patch antenna with shorting pin[J].ElectronicsLetter,2001,37(12):729-730.

[9]Chiu Y,Wong H,Chan C H.Study of small wideband folded-patch-feed antennas[J].IET Microwave Antennas Propagation,2007,1(2):501-505.

[10]Deshmukh A A,Kumar G.Half u-slot loaded rectangular microstrip antenna[C]//Proceedings of 2003 International Symposium on Antennas and Propagation Society.Columbus,OH:IEEE,2003:876-879.