一種四頻段多L型縫隙天線研究與設計

馮雪健　楊利霞　丁元赫　郭鵬良　王吉利

(江蘇大學計算機科學與通信工程學院通信工程系,鎮江 212013)

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一種四頻段多L型縫隙天線研究與設計

馮雪健楊利霞丁元赫郭鵬良王吉利

(江蘇大學計算機科學與通信工程學院通信工程系,鎮江 212013)

摘要設計了一款共面波導饋電的多L型縫隙天線．通過在一個三角形輻射貼片上開L形縫隙實現多頻的性能,優化調整L形縫隙的大小以及相關參數可以靈活控制其每個頻段的帶寬．該天線具有多頻帶、小型化等特性,通過共面波導饋電和采用高介電常數基板的方法降低了天線的諧振頻率,使得天線可以工作在更低頻段．通過電磁仿真軟件HFSS13.0對天線性能進行大量仿真實驗與計算,該天線在回波損耗小于-10 dB以下時,其工作頻段為1.254～1.276 GHz、1.537～1.623 GHz、1.804～1.845 GHz、2.097～3 GHz．該天線的結構簡單、易于加工實現,能夠滿足GPS、第三代第四代移動終端內置天線的小型化和多頻段的要求．

關鍵詞微帶天線;縫隙天線;多頻;共面波導

引言

近幾年,隨著技術的革新和發展,新的無線通信標準層出不窮．這些標準的推出,勢必要求通信設備也跟著不斷改良,一般要求天線設備工作在雙頻或者多頻的系統當中[1-3]．當前的內置手機天線一般要求覆蓋多種移動通信系統GSM/3G/4G．隨著4G通信技術的不斷發展,越來越多的無線頻段被制定,這就需要天線能夠工作在更多的頻段上[4-7]．

最常見的小型化多頻天線的設計是基于平面倒F天線和普通單極子天線,這類天線因其制作容易、設計容易,對提高系統的集成度很有好處,得到了廣泛的應用[8]．不過,這類天線一般對外設要求條件比較高,尤其是體積大的金屬外殼,這就要求所設計的天線能夠和外設的金屬外殼有著很好的融合集成,這樣不但使得設計難度降低和調試工作量減少,而且還可以充分利用射頻電路板上現成的大面積屏蔽導體減弱外界干擾、提高通信系統的集成度．因此,縫隙微帶天線[9-10]的發明彌補了傳統天線的缺點．

目前,縫隙天線理論的研究已經相當成熟,縫隙天線因其設計簡單、結構緊湊、輻射性能良好等優點已經被廣泛應用于各種無線通信系統．單一的縫隙天線雖然表現出良好的性能,但是有著阻抗帶寬窄以及單一諧振頻段的限制,在很多需要天線工作多頻的場合大大限制了其應用．目前,縫隙天線的研究重點和熱點在于如何實現多頻化和寬頻帶以及單一貼片上多個縫隙的協同工作等問題．

文獻[11-12]利用寬縫隙設計的方式實現了多頻化和寬頻帶,但是隨著縫隙的尺寸變大,縫隙周圍接觸的屏蔽導體的面積也在增大,這勢必導致天線的尺寸變大,這和現如今微帶天線的小型化發展趨勢相違背．目前,既能保證微帶縫隙天線的小型化又能實現多頻性能的研究成果尚不多見．本文在微帶縫隙天線的理論基礎上,設計了一款結構新穎、尺寸緊湊微型化且具有多頻工作性能的微帶天線．通過在一個貼片的不同位置合理地開三個L形縫隙,該天線不僅可以獲得多頻的工作特性,還可以通過調節L型縫隙的尺寸參數靈活控制縫隙天線的諧振頻率特性．

1天線的結構分析

圖1顯示了所設計天線的結構,該天線的輻射貼片和接地板是印刷在介質基板的一個面上,通過對三角形輻射貼片靠近邊沿的位置開三個L形的縫隙結構達到設計要求．該天線的饋電方式選用共面波導饋電,兩塊接地板與輻射貼片在介質板的同一面上,分布在中間饋線的兩側,該饋電方式的好處在于輻射貼片和接地板在同一個面上,這樣可以很好地融合在其他的微波電路中．整個介質板尺寸大小為Ws×Ls×Hs．該天線采用介質板材料為Rogers R03210,其介電常數εr=10.2,損耗角正切tanδ=0.005,厚度Hs為1.5 mm．該種材料的介質基板容易制作且具有良好的物理特性,耐熱性能良好,在微帶天線的設計中被使用廣泛．為達到微帶饋電線與天線的50 Ω的阻抗匹配,通過仿真分析最終確定饋線寬度選擇Wf=4 mm,接地板和饋線之間的空隙寬度為1 mm．

圖1　天線的結構圖

2仿真優化分析及實測結果對比

為研究L型縫隙對天線工作性能的影響,對天線在開縫隙的前后進行了優化仿真分析,具體分析可分以下幾種情況:

2.1縫隙L1對天線性能的影響

當在三角型輻射貼片只開縫隙L1時,改變縫隙L1的結構參數L11的大小,設定L11的變化范圍為22～24 mm,研究三角形貼片底邊對天線的影響,仿真結果如圖2所示.

圖2　只有縫隙L1時的仿真回波損耗

由圖2可以看出,當在輻射貼片上只開縫隙L1時,仿真結果會在中心頻點1.3 GHz和2.1 GHz頻點激勵出兩個頻段．在HFSS中調節L1縫隙參數L11的大小,使其從22 mm變化到24 mm,尺寸間隔設為1 mm,得到天線的回波損耗隨L11的變化曲線如圖2所示．由仿真圖可以看出,L11為22 mm和24 mm時,天線的諧振頻率均偏離到1.268 GHz,隨著L11的變大,天線的諧振頻率向左偏移,但是對后一頻段基本無影響．L11為23 mm時,諧振頻率達到預期頻率,且回波損耗達到了-40 dB,故L11為23 mm為最佳長度．對縫隙L1其他參數進行優化仿真,發現對回波損耗基本無影響．

2.2縫隙L2對天線性能的影響

在輻射貼片上增加縫隙L2,研究三角形貼片底邊對天線的影響,縫隙L1的結構參數選擇最佳參數,仿真結果如圖3所示．

從圖3仿真結果可以看出,增加了縫隙L2之后,由之前的二頻段變為三頻段．由此可見通過在輻射貼片上合理增加縫隙,可以實現多頻的工作特性．

圖3　增加不同L型縫隙仿真結果對比圖

2.3縫隙L3對天線性能的影響

在輻射貼片上增加縫隙L3,縫隙L1和縫隙L2的結構參數選擇最佳參數,改變縫隙L3參數L32的大小,仿真結果如圖4所示.

研究縫隙L3對天線回波損耗的影響．仿真運行后得到S11參數隨L32的變化曲線如圖4所示．從圖4中可以看出,增加縫隙L3以后,在1.6 GHz左右出現了一個新的諧振點,隨著L32長度的變大,在諧振頻點1.6 GHz附近會有變化,會向左偏移,但是不是很顯著,但是對諧振頻點1.8 GHz附近影響較大,隨著L32的變大,在1.8 GHz附近的諧振頻點向左偏移,但對其他的兩個頻段基本無影響．綜合考慮對天線頻率的影響,得出L32的最優值為12 mm．

前面已對天線的結構進行了分析,為使天線可以同時工作在GPS、第三代及第四代移動通信系統．結合微帶天線的多頻化技術,改變天線輻射貼片的形狀結構以及對各個結構參數優化,天線的工作頻段諧振點隨之發生改變．現要求天線的諧振點為1.26 GHz、1.6 GHz、1.82 GHz、2.3 GHz．通過電磁仿真軟件HFSS13.0對L型縫隙結構參數以及其他相關參數進行優化分析,最后確定天線的結構參數Ws=44 mm,Ls=47 mm,Wg=19 mm,Lg=20 mm,Wf=4 mm,S=2 mm,L11=23 mm,L12=8 mm,L21=19 mm,L22=14 mm,L31=18 mm,L32=12 mm．縫隙L1和L2的縫隙的寬帶均為2 mm,縫隙L3的橫向寬度為2.6 mm,縱向寬度為2.5 mm．

在仿真設計的基礎上,制作了天線原理樣品進行實物測試,天線的工藝加工實物圖如圖5所示,對實物使用安捷倫E8362B矢量網絡分析儀對天線的回波損耗進行了測試,測試結果如圖6所示,從圖7可以看出,仿真結果和實物測量結果變化趨勢以及S11參數的變化基本一致,這說明仿真優化的過程是正確的,所采用的技術手段是有效的．同時圖7(a)、(b)、(c)、(d)給出了在通過多次優化以及參數的調節最終在1.26 GHz、1.6 GHz、1.82 GHz和2.6 GHz工作頻率下的輻射方向圖．

圖5　天線的工藝加工實物圖

圖6　仿真結果與測量結果的回波損耗對比圖

(a) 1.26 GHz輻射方向圖

(b) 1.6 GHz輻射方向圖

(c) 1.82 GHz輻射方向圖

(d) 2.6 GHz輻射方向圖圖7　天線在不同工作頻率下的輻射方向圖

3結論

設計了一款新型多頻縫隙微帶天線,并對其進行優化仿真和實物制作測試加以驗證．仿真和測試結果表明,該天線具有良好的四頻段工作性能且具有靈活可調的諧振性,能滿足不同通信系統的要求．

相比于其他應用于移動通信終端設備的微帶天線,本設計縫隙微帶天線具有以下優點:首先,采用了共面波導饋電的形式,由于接電板與輻射貼片共面,這有利于與其他微波電路共面集成提高微波電路的集成度;此外,在保證天線的小型化的同時,在一個輻射貼片開三個L形的縫隙且相互諧振頻段不受影響,可以直接制作在屏蔽導體之上而無需占用其他電路板位置,這使得系統結構更為緊湊,進一步提高了系統的集成度．所以,該天線在實際應用中具有很好的實用性和研究價值．

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Design and implementation of a four-band microstrip antenna with multi-L-shaped slots fed by coplanar waveguide

FENG XuejianYANG LixiaDING YuanheGUO PengliangWANG Jili

(SchoolofcomputerscienceandCommunicationEngnerring,JiangsuUniversity,Zhenjiang212013,China)

AbstractA four-band microstrip antenna fed by coplanar wave-guide(CPW) with multi-L-shaped slots was designed. The performance of the multiple frequency was obtained by carving L-shaped slot on a radiation triangular patch, and by adjusting the L-shaped slots and relative parameters, its bandwidth of each frequency band can be controlled flexibly. The proposed antenna has the features of multi-bands and miniaturization. By using coplanar waveguide feed and adopting the method of high dielectric constant substrate, the resonance frequency of the antenna can be reduced so that the antenna can work at lower frequency. A large number of simulations and calculations by using HFSS13.0 software have been done, and the simulation results show that the antenna can work at 1.254～1.276 GHz,1.537～1.623 GHz/1.804-1.845 GHz and 2.097～3 GHz when the return loss was less than -10 dB. Simple structure, easy processing and implementation of the antenna are able to meet the requirements of the built-in GPS, the mobile terminal antenna of the third generation, the fourth generation, and their miniaturization and multiband requirements.

Keywordsmicrostrip antenna; slot antenna; multi-band; coplanar waveguide feed

收稿日期：2015-06-21

中圖分類號號TN82

文獻標志碼A

文章編號1005-0388(2016)02-0382-05

DOI10.13443/j.cjors.2015062101

作者簡介

馮雪健(1991-),男,江蘇人,碩士研究生,主要研究方向為電磁散射與輻射、無線通信系統中的天線理論與設計及計算電磁學方面的研究．

楊利霞(1975-),男,湖北人,博士,副教授,美俄亥俄州立大學 Electron Science 實驗室博士后,美國德州大學達拉斯分校訪問學者,碩士生導師,主要研究方向為電磁散射及輻射、電磁場數值計算等．

丁元赫(1992-),男,江蘇人,碩士研究生,主要研究方向為電磁輻射、無線通信系統中的天線理論與設計．

馮雪健, 楊利霞, 丁元赫, 等. 一種四頻段多L型縫隙天線研究與設計[J]. 電波科學學報,2016,31(2):382-386. DOI: 10.13443/j.cjors.2015062101

FENG X J, YANG L X, DING Y H, et al. Design and implementation of a four-band microstrip antenna with multi-L-shaped slots fed by coplanar waveguide [J]. Chinese journal of radio science,2016,31(2):382-386. (in Chinese). DOI: 10.13443/j.cjors.2015062101

資助項目: 國家自然科學基金面上項目(61072002)； 江蘇省第八批次“六大人才高峰”計劃(2011-DZXX-031)；

鎮江市科技工業支撐項目(GY2013051，GY2014018)

聯系人： 楊利霞 E-mail: lixiayang@yeah.net