小型化雙頻微帶天線設(shè)計(jì)*

呂明明，尹衍莊，馬 龍，孫緒保

（山東科技大學(xué) 電子通信與物理學(xué)院，山東 青島 266590）

0 引 言

微帶天線的質(zhì)量較輕、體積較小，能夠更加方便地獲得圓極化，實(shí)現(xiàn)雙頻工作功能，所以被廣泛應(yīng)用于無(wú)線通信系統(tǒng)[1]。如今，無(wú)線通信技術(shù)向著高速、寬帶以及大容量的趨勢(shì)迅速發(fā)展，所以提高系統(tǒng)的通信容量已成為關(guān)鍵。提高系統(tǒng)通信容量的方法之一，是設(shè)計(jì)可以兼容現(xiàn)有的多個(gè)頻段資源的多頻通信系統(tǒng)[2]。因此，在多頻通信系統(tǒng)中，天線的雙頻或多頻工作特性成為眾多學(xué)者的研究方向。各種文獻(xiàn)中也提到了許多使天線獲得多頻工作特性的方法。文獻(xiàn)[3]提出了一種可以應(yīng)用在WLAN系統(tǒng)中的雙頻段貼片天線，通過(guò)在貼片上開一個(gè)矩形切口，使天線能夠工作在2.45 GHz和4.96 GHz兩個(gè)頻段上。文獻(xiàn)[4]提出了一種雙頻段PIFA天線，采用同軸探針饋電，在輻射貼片上開三條縫隙改變貼片上原來(lái)的電流流向，實(shí)現(xiàn)天線的雙頻段工作，且天線中連接輻射貼片和接地板的短路金屬片能夠增大天線的帶寬[5]，但是這種天線結(jié)構(gòu)尺寸較大，達(dá)不到如今天線小型化的需求。文獻(xiàn)[6]設(shè)計(jì)了一種雙頻段貼片天線，在貼片上加載了一個(gè)成十字形狀的槽，減小了天線諧振頻率，增加了天線帶寬，加載兩個(gè)短路針用于天線的小型化和雙頻特性。文獻(xiàn)[7]提出了一種雙頻段MIMO諧振器天線。

本文提出的天線是對(duì)普通的微帶天線的改進(jìn)，通過(guò)在貼片上開一個(gè)開口向上的缺口，使貼片形成“凹”字形狀，從而在缺口和主貼片之間產(chǎn)生相互作用，使天線能夠工作在3.8 GHz和4.5 GHz兩個(gè)頻段上，S11達(dá)到了-35 dB和-42 dB，兩個(gè)頻段的帶寬分別為180 MHz（3.72～3.9 GHz）、170 MHz（4.45～4.62 GHz），同時(shí)在饋電探針附近加載短路探針使天線獲得了小型化的優(yōu)點(diǎn)。

1 天線設(shè)計(jì)

文章設(shè)計(jì)了一種小型化的雙頻段微帶天線，饋電方式采用同軸線饋電，介質(zhì)基板的材質(zhì)為環(huán)氧樹脂玻璃纖維板（FR4），尺寸大小為30 mm×22 mm×4 mm，介質(zhì)基板上表面為矩形貼片，下表面為接地平面，通過(guò)在貼片上開一個(gè)開口向上的矩形缺口改變?cè)瓉?lái)貼片上的電流路徑。電流通過(guò)同軸探針到達(dá)貼片的頂部和底部邊緣。由于切口的加載使電流路徑的長(zhǎng)度增加，切口和主貼片之間形成了強(qiáng)烈的相互作用，使天線能夠工作在兩個(gè)頻段。通過(guò)加載一個(gè)短路探針的方式，減小了天線貼片的尺寸[8]。HFSS仿真加載探針之后貼片的尺寸，發(fā)現(xiàn)減小了12.3%。

介質(zhì)基板上貼片的初始長(zhǎng)、寬分別為：

其中：

f為中心諧振頻率，c為光速，εe為有效介電常數(shù)。在不加載短路探針的情況下，經(jīng)過(guò)公式計(jì)算得出天線貼片的初始長(zhǎng)度為19.26 mm，寬度為26.05 mm。采用同軸線饋電，同軸線的外圈和接地平面相連，內(nèi)芯部分穿過(guò)介質(zhì)基板與貼片相連，饋電點(diǎn)的位置坐標(biāo)(Xf,Yf

)影響天線的阻抗匹配。在貼片上加載一個(gè)開口向上的矩形切口后，切口的長(zhǎng)度和寬度對(duì)天線的諧振頻率有顯著影響，可改變切口的長(zhǎng)和寬獲得需要的工作頻率。為了縮小天線貼片的尺寸，在饋電點(diǎn)附近加一個(gè)短路探針，探針的半徑為r1，位置坐標(biāo)為(Px,Py)。加入短路探針后，在貼片面積減小的同時(shí)，也增大了天線的兩個(gè)中心工作頻率。

天線的結(jié)構(gòu)圖，如圖1所示。通過(guò)HFSS仿真軟件對(duì)天線的尺寸進(jìn)行分析得到，H=4 mm，Ls=30 mm，Ws=22 mm，Lp=27.4 mm，Wp=18.4 mm，L1=12.5 mm，W1=11mm，同軸探針的位置坐標(biāo)(Xf,Yf)為（14 mm，9 mm），短路探針的位置坐標(biāo)(Px,Py)為（14 mm，18 mm）。優(yōu)化后的天線可以工作在3.8 GHz和4.5 GHz兩個(gè)頻段上，S11參數(shù)分別為-34 dB和-38 dB，兩個(gè)頻段的輸入阻抗分別為（51-j1） Ω和（50+j1） Ω，說(shuō)明優(yōu)化后的天線阻抗匹配良好。

圖1 天線結(jié)構(gòu)圖

2 仿真結(jié)果與分析

天線未加載短路探針和加載短路探針的S11曲線圖，如圖2所示。從圖2能夠得到，加載短路探針后，天線的中心工作頻率提高了，低頻頻率由3.4 GHz提高到了3.8 GHz，高頻頻率由4.2 GHz提高到了4.5 GHz，但是天線的S11參數(shù)值并沒有受到較大影響。加載短路探針前后，天線的S11值都在-30 dB以下，說(shuō)明天線的阻抗匹配良好。未加載短路探針之前，輻射貼片的尺寸為27.4 mm×18.4 mm；加載短路探針后，輻射貼片的尺寸為26 mm×17 mm。可見，輻射貼片的面積減小了12.3%。

圖2 有無(wú)短路探針天線的S11曲線

該天線中短路探針的位置(Px, Py)對(duì)天線的性能也有顯著影響。固定X軸的坐標(biāo)Px=14 mm不變，研究Y軸坐標(biāo)的改變對(duì)天線性能的影響。經(jīng)HFSS仿真分析得到短路探針的Y軸坐標(biāo)在不同位置下的S11的曲線圖，如圖3所示。從S11曲線圖可以看出，改變短路探針Y軸坐標(biāo)的位置對(duì)天線在4.5 GHz頻率下的S11不會(huì)有太大變化，但是對(duì)3.8 GHz頻率下的S11有較大影響。當(dāng)Py=18 mm時(shí)，天線在低頻3.8 GHz和高頻4.5 GHz的S11分別為-35 dB、-42 dB，說(shuō)明天線的阻抗匹配良好。

圖3 短路探針在不同位置下的S11曲線

天線的輻射方向圖如圖4所示（實(shí)線代表xoz面，虛線代表yoz面）。

圖4 天線的輻射方向圖

其中，圖4（a）為3.8 GHz頻率下的天線輻射方向圖，圖4（b）為4.5 GHz頻率下的天線輻射方向圖。由輻射方向圖能夠得到低頻3.5 GHz頻率下天線增益的最大值為3.71 dB，高頻4.5 GHz頻率下天線增益的最大值達(dá)到了3.79 dB。

3 結(jié) 語(yǔ)

文章設(shè)計(jì)了一種加載短路探針的小型化雙頻微帶天線，在矩形貼片上開一個(gè)開口向上的矩形切口，在同軸探針附近加載一個(gè)短路探針使天線能夠同時(shí)工作在3.8 GHz和4.5 GHz兩個(gè)頻段上。天線在兩個(gè)頻段的S11分別為-35 dB和-42 dB，天線阻抗匹配良好，且在兩個(gè)頻段上天線均具有良好的增益，如在低頻3.8GHz時(shí)的最大增益為3.71 dB，高頻4.5 GHz時(shí)的最大增益為3.79 dB。此外，設(shè)計(jì)的天線加入了短路探針，使天線貼片的面積減小了12.3%。

[1] 孫緒保.微波技術(shù)與天線[M].第2版.北京:機(jī)械工業(yè)出版社,2014.SUN Xu-bao.Microwave Technology and Antennas[M].Second Edition.Beijing:Machinery Industry Press,2014.

[2] 褚慶昕,涂治紅,陳付昌等.新型微波濾波器的理論與設(shè)計(jì)[M].北京:科學(xué)出版社,2016:4-5.ZHAO Qing-yan,TU Zhi-hong,CHEN Fu-chang,et al.Theory and Design of a Novel Microwave Filter[M].Beijing:Science Press,2016:4-5.

[3] Kavya A,Poornima V,Zachariah C A,et al.Design of a Miniaturized Dual Band Patch Antenna for WLAN Applications[C].Electronics and Communication Systems(ICECS),2015:516-519.

[4] Subramaniam D,Jusoh M,Sabapathy T.Characterization of Dual Band 900MHz and 1800MHz Antenna in the Presence of Human Hand[C].Radar,Antenna,Micro wave,Electronics,and Telecommunications(ICRAM ET),2016:95-98.

[5] 李明洋,劉敏.HFSS天線設(shè)計(jì)[M].第2版.北京:電子工業(yè)出版社,2014:63-126.LI Ming-yang,LIU Min.HFSS Antenna Design[M].Second Edition.Beijing:Electronic Industry Press,2014:63-126.

[6] 鐘順時(shí),崔俊海.新型小型化雙頻微帶天線[J].上海大學(xué)學(xué)報(bào)(自然科學(xué)版),2002,8(05):75-77.ZHONG Shun-shi,CUI Jun-hai.New Compact Dual-Frequency Microstrip Antenna[J].Journal of Shanghai University(Natural Science Edition),2002,8(05):75-77.

[7] Aftab A K,Mohd H J,Sajid A.Dual-band MIMO Dielectric Resonator Antenna for WiMAX/WLAN Applications[J].IET Microwaves,Antennas & Propagati on,2017,11(01):113-120.

[8] 崔俊海,鐘順時(shí).一種分析探針加載微帶天線的局部共形FDTD法[J].電子學(xué)報(bào),2002,30(06):910.CUI Jun-hai,ZHONG Shun-shi.A Locally Conformal FDTD Method for Analyzing Pin-Loaded Microstrip Antennas[J].Electronic Journal,2002,30(06):910.