新型低剖面三頻微帶天線設計

楊克榮, 楊明武, 張青春, 張祖華

(合肥工業大學 電子科學與應用物理學院,安徽 合肥 230009)

新型低剖面三頻微帶天線設計

楊克榮, 楊明武, 張青春, 張祖華

(合肥工業大學 電子科學與應用物理學院,安徽 合肥 230009)

針對目前單天線實現多頻段工作的要求,文章提出并設計了一款低剖面緊湊型三頻微帶貼片天線。天線的輻射單元由雙G型和U型陷波結構構成。天線高度僅為1 mm,真正實現了低剖面,通過Ansoft HFSS軟件仿真得出其工作頻段為861～964 MHz、1.53～1.99 GHz、2.2～2.64 GHz,實現了對GSM 900/GSM 1800、北斗B1、S頻段以及WLAN頻段的全覆蓋。該天線具有體積小、結構簡單、易于制作、輻射特性良好的優點,能夠較好地應用于現代無線通信系統。

低剖面;三頻;寬帶;陷波特性;微帶天線

0 引 言

近年來,隨著無線通信的迅速發展,各類天線也受到越來越多的關注。其中,單極子微帶貼片天線具有成本低、制作簡便以及易于集成化等優點,因此被廣泛應用于各種無線通信系統。

目前,大多數無線通信產品中加入多個天線以達到多頻段工作實現功能的多樣化,這樣必然導致天線工作的空間不足。而足夠的空間是天線正常工作所必備的條件之一,因此單一天線的低剖面、多頻段工作成為了必然選擇?，F已有多種結構天線用來實現低剖面[1-3],例如文獻[1]通過H形接地面和曲柄形饋電結構的微帶天線,實現了天線結構的低剖面,但該結構接地面需要H形開口,在實際應用中要求離物理地面有一定的高度。同時,對多頻化的研究也在不斷地進行[4-7],例如文獻[4]通過在矩形輻射元周圍加載多個金屬環并采用微帶線進行非接觸耦合饋電的方法,有效地實現了多頻段設計,但在工作頻帶內帶寬都比較窄。因此有學者提出了新型的多頻段天線[8-10],例如文獻[8]采用增加寄生諧振單元的方法,既有效地減小了天線尺寸,又保證了多頻段天線的帶寬。

綜上可知,目前利用單個低剖面輻射元實現多頻段且保證帶寬的天線設計方法的相關研究較少。本文在已有研究的基礎上,提出并設計了一種新型的低剖面三頻寬帶微帶天線,天線各性能均能滿足應用需求。

1 天線結構

本文微帶天線設計主要考慮因素包括阻抗帶寬、多頻段、天線尺寸以及輻射場方向圖。

一般的矩形微帶貼片天線由輻射元、介質層以及參考地板3部分組成。其縱向尺度約為1/2工作波長時,在對應頻點上輻射元表面電流同向分布,在輻射元法向有最大輻射電場產生諧振輻射。但此時只能產生單一的諧振頻點,如果不做結構上的調整,那么無法在單天線下實現多頻段的工作特性。

本文提出的單極子三頻微帶天線如圖1所示。

圖1 天線模型及幾何參數

該天線采用50 Ω微帶線位于貼片的中點處饋電,天線輻射單元主要由雙G型結構和U型陷波結構構成,并且印刷在相對介電常數為4.4、損耗角正切值為0.02、尺寸大小為58 mm×69 mm×1 mm的FR4-epoxy基板上,上、下兩面的敷銅層厚度為0.035 mm。利用曲流技術在原始矩形貼片上對稱產生雙G型結構,即把原單個輻射元增加了電尺寸長度,并進行彎曲產生多個諧振頻點，因此能滿足多頻段的工作要求。

由于矩形微帶天線的單諧振頻點的阻抗帶寬相對較窄,考慮到實際通信系統環境多徑效應的影響,對天線極化純度要求不高。在矩形貼片的4個邊角采用對稱的切角結構產生極化稍有差異的雙諧振特性,以提高小尺寸微帶天線的阻抗帶寬。為了使在GSM 1800和WLAN頻帶之間的頻譜資源不對工作頻帶內的信息產生干擾,提高天線工作的隔離度,實現特定頻段內的工作目的,貼片的中部利用開槽技術蝕刻出U型槽以實現陷波功能。

天線輻射單元整體呈正方形,微帶饋線位于輻射單元寬邊中心，天線結構緊湊、易于制作。通過電磁仿真軟件HFSS優化后的參數見表1所列。其中,天線的厚度h=1.0 mm;地板的長、寬分別為L7、W0;微帶饋電的長、寬分別為L1、W1;天線整體的長、寬分別為L0、W0。

表1 天線的結構參數 mm

2 仿真結果分析

2.1 S11曲線分析

天線阻抗特性曲線的仿真結果如圖2所示。

圖2 天線的S11曲線

由圖2可以看出,天線在S11≤-10 dB (S11為天線的回波損耗)的工作頻帶范圍為861～964 MHz、1.53～1.99 GHz、2.2～2.64 GHz,實現了對GSM 900/GSM 1800、北斗B1、S頻段以及WLAN頻段的全覆蓋。絕對帶寬分別為103、460、440 MHz;相對帶寬分別為11.4%、26.7%、18.3%。在工作頻段內,其中心頻率為0.90、1.72、2.40 GHz。按此頻率并考慮基板的介電常數影響,基板相對厚度約為0.013λd(λd為基板中介質波長),屬于薄基板,實現了低剖面。與相對帶寬不超過3%的傳統微帶天線相比,本文天線實現了寬帶化。

由圖2可知,天線的第1個諧振頻點由對稱的雙G型結構以及貼片中間部位輻射單元產生;第2個諧振頻點由雙G型靠近邊緣的小對稱切角貼片輻射單元產生;第3個諧振頻點由靠近饋線的大對稱切角貼片輻射單元產生。該天線輻射原理簡單,有效地實現了天線的多頻段特性,并且實現了結構上的簡化。

2.2 參數分析

為了更好地分析天線的輻射特性,本文給出了具有代表性的參數W1、h、W8對S11的影響。

參數W1對S11曲線的影響如圖3所示。饋線的寬度決定了微帶天線的阻抗匹配,圖3表現了不同寬度對天線回波損耗的的影響。隨著饋線寬度W1逐漸變寬,天線的3個諧振中心頻率均向下偏移,而高頻段的回波損耗逐漸降低。這是由于微帶線的特征阻抗變化的結果,其計算公式近似為:

0.667ln(ω/h+1.444)]}

其中，ω為中心數率對應的解頻率。

當W1增加時,微帶線的特性阻抗隨之減小,造成與微帶天線的阻抗失配。當W1=2 mm時，天線在3個工作頻段范圍內性能達到最優。同時驗證了在介電常數為4.4～4.5時,50 Ω的微帶線寬度為2h左右。

圖3 參數W1對S11曲線的影響

參數h對S11曲線的影響如圖4所示。由圖4可以看出,隨著介質基板厚度的增加,中頻段的諧振中心頻率隨之增加,低頻段和高頻段卻呈現相反的特性,中心頻率隨之下降?？紤]到諧振中心頻率,取h=1 mm，此時諧振頻率為最佳。

圖4 參數h對S11的影響

參數W8對S11曲線的影響如圖5所示。由圖5可以看出，隨著W8長度的增加,天線的低頻段和高頻段諧振中心頻率也隨之增加。其中在高頻工作頻段內呈現雙諧振特性,這是由于對稱切角產生了2個不同長度的電流路徑,即形成了2個諧振頻點并且存在簡并現象。當W8增加時,2個諧振頻點的電流路徑不斷地逼近,諧振頻率也相互靠攏,形成了如W8=14 mm時看似單諧振的情況。在兼顧考慮阻抗帶寬以及諧振中心頻率的情況下,取W8=12 mm，此時天線的性能達到最優。

圖5 參數W8對S11曲線的影響

2.3 陷波特性分析

為了使天線在特定的頻段內工作而不受其他頻段信號的干擾,本文所設計的單極子微帶天線采用了陷波結構,使頻率在2.1 GHz附近被隔離。有U型陷波結構、無U型陷波結構以及U型槽不同長度的S11曲線對比如圖6所示。

圖6 U型陷波結構對S11的影響

由圖6可知,在沒有U型陷波結構時，S11≤-10 dB的帶寬為1.53～2.50 GHz,使得天線在不需要的頻段內接收信號,造成了對有用信號的干擾;加入U型陷波結構后,隨著U型縫隙尺寸的增加,陷波中心頻率隨之下偏,原因是U型縫隙的長度L為目標陷波中心頻率對應波長的1/2。

根據天線的結構圖和尺寸可得:

(1)

其中,λeff為天線U型陷波的波長,其表達式為:

(2)

其中，εeff為介質基板的階電常數。

由此可得U型縫隙的長度估算公式為:

(3)

因此,縫隙長度L越大,其陷波中心頻率越低。當L=21 mm時,天線各性能達到最好。

2.4 天線的輻射特性

天線在諧振中心頻率為0.90、1.72、2.40 GHz的E面(yoz面)和H面(xoz面)方向的仿真結果如圖7所示。由圖7可以看出,在諧振中心頻率上,仿真的最大增益分別為1.08、2.02、3.47 dBi。其中,在E面呈現“8”字型,在H面近似呈現全向型,說明該天線呈現單極子天線的輻射特性,輻射性能良好。

圖7 天線的輻射方向

3 結 論

針對目前單天線實現多頻段工作的應用要求,本文設計了低剖面三頻微帶天線。采用微帶線在其寬邊中心饋電,輻射元尺寸為38 mm×38 mm×1 mm,真正實現了低剖面,并且避免了在實際應用中要求離物理地面有一定高度的需求。通過在原始貼片上采用曲流技術和U型陷波結構實現了單天線的多頻輻射特性。HFSS的仿真結果表明,天線的工作頻段為861～964 MHz、1.53～1.99 GHz、2.2～2.64 GHz,能夠很好地滿足GSM 900/GSM 1800、北斗B1、S頻段以及WLAN工作頻段范圍的要求。并且各工作頻段的相對阻抗帶寬均超過傳統微帶天線3%的相對阻抗帶寬,實現了寬帶化。通過對天線的回波損耗、參數分析和輻射方向圖等研究可知,該天線結構簡單緊湊、低剖面、輻射特性良好,非常適用于無線通信系統的應用。

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(責任編輯 胡亞敏)

Design of novel low-profile microstrip antenna with tri-band

YANG Kerong, YANG Mingwu, ZHANG Qingchun, ZHANG Zuhua

(School of Electronic Science and Applied Physics, Hefei University of Technology, Hefei 230009, China)

Aiming at the single antenna multi-band operation requirements, a new type of low-profile compact tri-band microstrip patch antenna is proposed and designed. The radiating elements of the antenna are composed of a double G and U-shaped notch structure. The height of the antenna is 1 mm, truly a low profile. The simulation results using Ansoft HFSS software show that its working frequency band is 861-964 MHz, 1.53-1.99 GHz and 2.2-2.64 GHz. The full coverage of GSM 900/GSM 1800, BeiDou B1, S-band and WLAN frequency band is realized. The antenna has small and simple structure as well as good radiation characteristic and it is easy to manufacture, which can be well used in modern wireless communication systems.

low profile; tri-band; broadband; band-notched characteristic; microstrip antenna

2015-10-12；

2015-11-17

國家自然科學基金青年科學基金資助項目(61501159)

楊克榮(1993-),男,安徽六安人,合肥工業大學碩士生; 楊明武(1958-),男,安徽滁州人,合肥工業大學教授,碩士生導師.

10.3969/j.issn.1003-5060.2017.01.012

TN914

A

1003-5060(2017)01-0063-05