一種U形地板、半圓環形饋源終端的超寬帶天線設計

歐 仁 俠

(吉林醫藥學院 生物醫學工程學院, 吉林 吉林 132013)

隨著現代通信技術的進步和電子產業的發展, 要求無線通信終端應具有較小的尺寸和較寬的帶寬, 其中超寬帶平面單極天線的應用較廣泛. 超寬帶平面單極天線主要由饋源終端、 地面、 饋線和介質基板構成, 饋源終端由橢圓形、 圓形、 矩形或特殊結構組合而成[1-3]. 饋源終端尺寸決定天線的最低工作頻率, 對饋源終端結構進行優化設計, 可進一步縮小天線尺寸并展寬工作頻段[4-5]. 共面波導超寬帶天線饋源終端、 饋線和地板位于同一平面, 便于整體結構的小型化設計, 且共面波導具有接地阻抗和電感低等優點[6-7]. 合理設計單極子結構可獲得較寬的阻抗帶寬, 文獻[8]研究表明, 將饋源終端設計成圓盤結構可獲得超寬帶帶寬, 在圓盤與饋線間增加轉換結構可提高天線的阻抗匹配性能, 將饋源終端設計成分形結構可實現超寬帶性能, 在弧形饋源終端上引入一個矩形寄生結構可獲得良好的阻抗匹配. 文獻[9]研究表明, 將饋源終端和地板進行切角處理, 使天線表面電流集中在共面波導饋線附近和饋源終端下邊緣, 可使帶寬展寬. 饋源終端采用漸變結構或帶孔的圓形、 橢圓形、 方形或多邊形, 通過使用縫隙地板大幅度縮小整體尺寸可提升天線的阻抗帶寬[10]. 由于天線尺寸與帶寬存在矛盾, 因此需優化饋源終端和地板的尺寸結構, 即優化天線性能參數并減小設計尺寸. 本文設計一種U形地板、 半圓環形饋源終端的超寬帶天線, 并分析扇形半徑、 半圓環內徑和外徑、 U形結構地板上矩形的長和寬等參數變化對天線性能的影響.

1 天線結構設計

圖1 天線結構示意圖Fig.1 Schematic diagram of antenna structure

一種U形地板、 半圓環形饋源終端的超寬帶平面單極天線結構如圖1所示. 天線印刷在FR4環氧樹脂介質基板上, 基板長L=20 mm, 寬W=20 mm, 厚h=1.6 mm, 介電常數εr=4.4, 金屬層厚0.04 mm. 該天線由半圓環形饋源終端、 共面波導饋線、 U形結構地板構成, 通過共面波導饋電, 半圓環形饋源終端由一個扇形和一個半圓環組成, 扇形在半圓環內部, 兩端與半圓環的外側圓周相交, 半圓環的圓心o1和扇形的圓心o2位于介質基板中軸上, 半圓環形饋源終端形成橫向漸變的結構尺寸, 使天線在工作頻帶內產生多個諧振點, 引起不同頻率的輻射帶, 使天線具有超寬帶特性, 半圓環形饋源終端的最大橫向尺寸約為最低工作頻率對應的1/4波長, 改變半圓環形饋源終端的半圓環和扇形尺寸可調節阻抗匹配. U形結構地板由矩形、 延伸導帶和矩形組合體三部分組成, 縮小了天線的設計尺寸, 使天線結構更緊湊, 以o1為圓心、R4為半徑做一圓弧, 對U形結構地板靠下端矩形進行切角處理, 可使天線表面電流集中在饋源終端和地板邊緣, 增加地板與饋源終端電容耦合區的面積, 縮小天線尺寸并增加天線增益, 矩形組合體由3個尺寸不同的矩形組成, 可調節天線在低頻段的阻抗匹配, U形結構地板下端矩形和上端矩形組合體通過延伸導帶連接.

U形結構地板延伸導帶寬W3和長L3的計算公式分別為

(1)

(2)

其中:εr表示相對介電常數;f0表示頻帶中心頻率;c表示光速;h表示介質基板厚度;W2表示饋線導帶寬度. 半圓環形饋源終端扇形半徑R1的計算公式為

(3)

半圓環形饋源終端半圓環外徑R3的計算公式為

(4)

其中:fl表示低頻諧振頻率;εe表示有效介電常數;Ls表示等效輻射縫隙長度, 其計算公式分別為

(5)

(6)

由式(1)～(6)可得W3=1.2 mm,L3=10 mm,R1=5.8 mm,R3=5.6 mm. 由于介質基板厚度較薄, 因此采用共面波導饋電方式, 導帶與地板的間隙g=0.45 mm. 天線的初始結構尺寸: 扇形半徑R1=5.8 mm, 半圓環內徑R2=4.2 mm, 半圓環外徑R3=5.6 mm, 切角圓弧半徑R4=6 mm, 矩形地板長L1=3.3 mm, 共面波導導帶長L2=3.4 mm, 延伸導帶長L3=10 mm, 上矩形長L4=4.5 mm, 中矩形長L5=0.8 mm, 下矩形長L6=0.8 mm, 矩形地板寬W1=8.3 mm, 共面波導導帶寬W2=2.5 mm, 延伸導帶寬W3=1.2 mm, 上矩形寬W4=6.8 mm, 中矩形寬W5=4.8 mm, 下矩形寬W6=3.5 mm.

2 天線參數分析

利用HFSS軟件分析天線模型, 對上矩形的長L4和寬W4、 扇形半徑R1、 半圓環內徑R2和半圓環外徑R3進行分析, 調整這4個參數展寬帶寬, 并改善阻抗匹配特性.

2.1 上矩形長L4和寬W4對天線性能的影響

上矩形長L4和寬W4對天線反射系數的影響如圖2所示. 由圖2可見, 增加上矩形尺寸, 低頻段的諧振程度增強, 低端頻率向低頻方向偏移量較大, 展寬了低頻段的阻抗帶寬, 中高頻率變化較小, 但諧振程度有所改善. 這是由于低頻段的電尺寸長度隨上矩形尺寸的增加而增大, 使天線表面電流集中在地板上端邊緣處, 從而展寬了天線低頻段阻抗帶寬. 最終選取L4=4.5 mm,W4=6.9 mm.

2.2 扇形半徑R1對天線性能的影響

扇形半徑R1對天線反射系數的影響如圖3所示. 由圖3可見, 增加扇形半徑R1, 低中頻諧振頻率向左側發生偏移, 高頻段諧振頻率變化較小, 這是由于半圓環形饋源終端縱向電尺寸長度隨扇形半徑R1的增加而增大, 從而增大了等效磁流面積, 展寬了中低頻諧振頻帶, 最終選取R1=5.6 mm.

圖2 上矩形長L4和寬W4對天線反射系數的影響Fig.2 Effects of length L4 and width W4 of upper rectangle on reflection coefficient of antenna

圖3 扇形半徑R1對天線反射系數的影響Fig.3 Effects of sector radius R1 on reflection coefficient of antenna

2.3 半圓環內徑R2對天線各項指標的影響

半圓環內徑R2對天線反射系數的影響如圖4所示. 由圖4可見, 隨著半圓環饋電終端內徑尺寸的增加, 低端頻率向左側偏移, 高端頻率向右側偏移, 從而展寬了工作帶寬, 并增大了低頻段的諧振程度, 高頻方向的諧振程度減弱, 表明調節R2的尺寸可優化阻抗匹配, 有效展寬帶寬. 當半圓環饋電終端內徑尺寸過大時, 高頻段發生阻抗失配, 對工作帶寬產生負面影響, 這是由于輸入阻抗與輸出阻抗匹配不合理所致. 最終確定R2=4.3 mm.

2.4 半圓環外徑R3對天線各項指標的影響

半圓環外徑R3對天線反射系數的影響如圖5所示. 由圖5可見, 隨著R3的增加, 低端頻率諧振程度減弱, 高端頻率諧振程度增強, 中高頻段頻率向右側偏移, 從而增加了高頻段的工作帶寬. 這是由于天線在中高頻段的諧振主要取決于饋源終端, 表面電流主要集中于饋源終端下邊緣,R3增加使諧振電長度變長, 從而使高頻段的阻抗匹配得到改善. 最終確定R3=5.5 mm.

圖4 半圓環內徑R2對天線反射系數的影響Fig.4 Effects of inner diameter R2 of semi-circular ring on reflection coefficient of antenna

圖5 半圓環外徑R3對天線反射系數的影響Fig.5 Effects of outer diameter R3 of semi-circular ring on reflection coefficient of antenna

通過對上述參數的仿真分析可知, 當上矩形長L4=4.5 mm和寬W4=6.9 mm， 扇形半徑R1=5.6 mm， 半圓環內徑R2=4.3 mm， 半圓環外徑R3=5.5 mm時, 天線具有較好的性能.

3 結果與討論

實際加工的天線如圖6所示. 用Agilent N3770網絡分析設備測試天線反射系數, 仿真與實測結果如圖7所示. 由圖7可見, 實際測量S11≤-10 dB的阻抗帶寬為3～12.9 GHz, 仿真結果為2.9～13 GHz, 天線工作帶寬較寬, 仿真諧振點分別在2.9,6.5,9.4 GHz處, 對應的諧振峰強度分別為-24.9,-39.8,-32.1 dB, 實測諧振點分別在3.1,6.7,9.4 GHz處, 對應的諧振峰強度分別為-26.8,-46.6,-34.2 dB. 實測與仿真結果對比表明, 中低頻處諧振點向高頻方向發生了偏移, 這是由于手工焊接饋電部分引入了誤差、 介質基板相對介電常數存在誤差及測試環境對測量結果存在干擾所致.

圖6 實際加工的天線Fig.6 Actual processed antenna

圖7 S11曲線的測量值與仿真值比較Fig.7 Comparison of measured and simulation values of S11 curves

圖8 不同頻率點的峰值增益曲線Fig.8 Peak gain curves at different frequency points

天線在頻帶內不同頻率點的峰值增益曲線如圖8所示. 由圖8可見, 天線峰值增益隨頻率的升高而增加, 峰值增益在高頻段下降, 這是由于天線輻射在高頻段出現畸變所致, 峰值增益的變化范圍為1.87～8.1 dB, 整個頻帶內具有較高的輻射效率和較好的增益性能.

對天線在3,6,9,11 GHz頻率點處的E面和H面進行測試, 檢驗天線的輻射特性, 結果如圖9所示. 由圖9可見, 整個頻段內的輻射方向均為全向的,E面類似“8”字形,H面低頻的幅射方向基本為全向的, 表明天線輻射方向較穩定. 輻射方向在11 GHz時出現了畸變, 這是由于U形地板與半圓環形饋源終端間存在不等相位分布電場所致, 但不影響天線的整體性能.

圖9 E面和H面的增益方向Fig.9 Gain directional diagram of E surface and H surface

綜上, 本文設計了一種U形地板、 半圓環形饋源終端的超寬帶天線, 仿真結果表明,L4,W4,R1,R2和R3等參數對天線帶寬和阻抗匹配均有較大影響. 天線可用頻段為3～12.9 GHz, 設計尺寸為20 mm×20 mm, 測試與仿真驗證結果相符, 工作頻段內輻射特性穩定, 增益性能良好, 結構簡單, 加工方便, 可應用于超寬帶無線通信終端設備中.