小型化雙頻帶蝶形微帶天線設(shè)計

覃鳳，周瑩，曹美媛，曾麗萍

(廣東理工學(xué)院 電氣與電子工程學(xué)院，廣東 肇慶 526100)

0 引 言

隨著微帶天線在無線通信系統(tǒng)中應(yīng)用越來越廣泛，為適應(yīng)無線通信技術(shù)特別是高速數(shù)據(jù)傳輸系統(tǒng)發(fā)展的需求，目前已有不少用于拓展天線工作帶寬的方法。而采用蝶形貼片的諧振器因其結(jié)構(gòu)簡單、阻抗帶寬較寬等優(yōu)勢而成為一種常見的、頗具潛力的拓展天線工作帶寬的技術(shù)手段。

同時，為應(yīng)對日益緊張的頻譜資源，雙頻甚至多頻帶天線應(yīng)運而生。因此，實現(xiàn)具有雙頻工作特性的蝶形微帶天線具有較好的理論和實際意義。如D.G.Rucker等人通過在蝶形貼片上刻槽，實現(xiàn)天線的雙頻特性，設(shè)計出了一種結(jié)構(gòu)簡單、較為流行的雙頻天線。而Y.Tawk等在2008年發(fā)表的工作中指出，改變所刻槽的形狀同樣能得到雙頻特性。此外，采用多個貼片以及加載技術(shù)等實現(xiàn)多頻特性的方法也吸引了相關(guān)研究學(xué)者的廣泛關(guān)注。如在文獻[4]中，通過在天線上加載三角形的寄生元件，成功地設(shè)計出一款雙頻帶印刷蝶形天線。2009年，M.Midrio等人提出了一種新型的緊湊型天線結(jié)構(gòu)，其中雙偶極子結(jié)構(gòu)的應(yīng)用使得該天線可以在不借助于任何有源控制的情況下實現(xiàn)面向WLAN應(yīng)用的雙頻工作性能。

本文提出的雙頻帶蝶形微帶天線，可以同時覆蓋GPS（global positioning system） 和WLAN（Wireless Local Area Network）應(yīng)用的頻帶。首先，設(shè)計了一款簡單的諧振頻率在1.57 GHz左右的蝶形天線；在此基礎(chǔ)上，加入另一對尺寸更小的蝶形貼片，該貼片諧振頻率約為5.8 GHz。這樣一來，便可設(shè)計出同時覆蓋GPS和WLAN頻帶的雙諧振特性的蝶形微帶天線結(jié)構(gòu)。文章詳細描述了天線的設(shè)計過程，并通過軟件仿真優(yōu)化，得到基于以上設(shè)計原理的雙頻帶天線。最后，仿真分析的結(jié)果表明，該雙頻帶蝶形天線可以有效覆蓋GPS和WLAN的頻帶應(yīng)用，且擁有良好的10 dB阻抗匹配帶寬。

1 天線結(jié)構(gòu)設(shè)計

本文所設(shè)計天線的參考單頻帶蝶形微帶天線（天線I）的結(jié)構(gòu)示意圖如圖1（a）所示。

設(shè)計中采用Taconic RF-35A2作為介質(zhì)板材料，厚度0.8 mm、介電常數(shù)3.5±0.05、損切角0.001 5。如圖1所示，天線I由介質(zhì)板上層的一對蝶形輻射單元以及介質(zhì)板底面的地平面組成。天線的饋線部分采用50 Ω微帶線結(jié)構(gòu)，饋線長寬分別為L和W。參考天線（天線I）可激勵出一個單一的諧振模式，該諧振頻率可以通過下面的公式大致得到：

圖1 天線結(jié)構(gòu)圖

其中，、、ε以及分別表示為介質(zhì)板厚度、相對介電常數(shù)、有效介電常數(shù)及自由空間中的光速，其他的結(jié)構(gòu)參數(shù)定義在圖1中。圖2中給出了對天線I進行全波電磁仿真的結(jié)果，可以很明顯地看出，天線I只具有一個諧振通帶，如圖2虛線所示，該頻帶中心頻率位于1.57 GHz處，適合GPS應(yīng)用。

圖2 兩個蝶形天線仿真的頻率響應(yīng)特性

接下來，通過在天線I的基礎(chǔ)上加入另一對較小尺寸的碟形貼片，得到本文提出的雙頻帶蝶形微帶天線（天線II），其結(jié)構(gòu)如圖1（b）所示。新加入的碟形貼片用于產(chǎn)生一個獨立與天線I諧振頻率的新頻帶，諧振在5.8 GHz處。這樣一來，天線II具有適應(yīng)GPS和WLAN應(yīng)用的雙頻帶特性。為方便對比，將天線II的諧振特性曲線繪制在圖2中，如圖中實線所示。

2 天線結(jié)構(gòu)優(yōu)化設(shè)計

為了對雙頻帶天線II的諧振特性做進一步的研究分析，接下來對一些重要參數(shù)進行仿真優(yōu)化。圖3（a）和（b）分別給出了地平面高度L以及新加入的碟形貼片與地底邊的距離L（其他參數(shù)固定不變）對天線性能的影響。觀察圖3（a）可以得出結(jié)論：地平面高度L對兩個通帶都有較明顯的影響，具體表現(xiàn)為：隨著L的增大，兩個通帶的諧振頻率都向高頻偏移；而圖3（b）表明碟形貼片與地邊界的距離L對第一頻帶的中心頻率幾乎沒有影響，卻會明顯影響第二頻帶諧振頻率的位置。可見，蝶形貼片與地邊界的相對位置會影響相應(yīng)通帶的位置，單獨改變其中一個相對位置可以實現(xiàn)對應(yīng)通帶的獨立可控。

另一方面，圖3（c）和圖3（d）分別給出了在兩對碟形貼片的寬度和改變時，天線II的頻率響應(yīng)曲線的變化情況。從圖中可見，隨著較大蝶形貼片的寬度逐漸增大，只有第一頻帶的諧振頻率向低頻偏移，這是由于的增大導(dǎo)致了電流路徑增長，從而諧振頻率下降。同樣道理，較小尺寸的蝶形天線的寬度的變化只影響第二頻帶的諧振頻率位置。因此，本文所提出的雙頻帶微帶蝶形天線的兩個工作頻帶可以通過兩對不同的蝶形貼片的寬度和進行單獨控制，也就是說，該天線的兩個諧振頻率是單獨可控的。

圖3 重要參數(shù)的優(yōu)化分析

最后，為了顯示本文所設(shè)計的雙頻帶天線的優(yōu)勢，將該天線的總體性能與部分參考文獻的雙頻帶天線進行了對比，對比的結(jié)果如表1所示。通過觀察表1的對比結(jié)果可以看出，本文所提出的基于微帶饋電的雙頻帶蝶形微帶天線在天線的工作帶寬、尺寸以及加工難度等方面都具有較為明顯的優(yōu)勢。

表1 與部分參考文獻中雙通帶微帶天線的對比

本文設(shè)計了一種新型的面向GPS（1.57 GHz）和WLAN（5.8 GHz）無線通信應(yīng)用的微帶饋電雙頻帶蝶形天線，并詳細介紹了該雙頻帶天線的設(shè)計步驟。通過在單頻帶蝶形天線的基礎(chǔ)上加入一對新的、尺寸相比參考天線的碟形貼片更小的碟形貼片，便可以得到本文所提出來的、擁有較好的雙頻帶特性的蝶形微帶天線。通過對兩款天線的諧振特性進行對比仿真分析，并利用軟件進行仿真優(yōu)化，得到基于以上設(shè)計原理的雙頻帶天線。最后，仿真分析的結(jié)果表明本文所設(shè)計出的雙頻帶蝶形微帶天線對于雙頻帶無線通信系統(tǒng)應(yīng)用而言具有一定的意義。

3 結(jié) 論

為了進一步闡述本文所提出的雙頻帶天線的諧振機理，圖4給出了該雙頻帶蝶形微帶天線在兩個頻帶中心頻率（1.54 GHz及5.73 GHz）處仿真的表面電流分布情況。從圖中也可以很明顯地看到，在1.54 GHz的諧振頻率處，天線的表面電流主要分布在較大的一對碟形貼片上，如圖4（a）所示。這也驗證本文的理論，即天線中較大的一對碟形貼片在低諧振頻率處作為諧振器，從而產(chǎn)生了第一個諧振頻帶；相應(yīng)地，如圖4（b）所示，在5.73 GHz時，較小的一對碟形貼片上分布了更大的表面電流密度。這表明，對于所提出的雙頻帶天線，較小的一對碟形貼片作為主要的輻射單元產(chǎn)生5.73 GHz的諧振頻帶。除此之外，由圖4（b）還可以進一步看到，在第二頻帶（5.73 GHz）的諧振頻率處，較大的一對碟形貼片上也分布有相當(dāng)一部分的表面電流，也就是說較大的碟形貼片也會影響第二頻帶的諧振頻率，這主要是由于兩對碟形貼片之間存在一定程度的耦合效應(yīng)所導(dǎo)致。

圖4 （a）第一通帶和（b）第二通帶的電流密度分布