仿銅錢草結構多頻帶天線設計

冉小英，于 臻，徐幸秋

（華北科技學院電子信息工程學院，河北廊坊065201）

0 引 言

萬物生長的自然界一直以來都是人類發展創造和技術思想靈感的來源。自然界的生物經過上億年的進化演變，具有非常完美的體形結構。仿生天線就是通過探究和模擬生物形態。設計的天線輻射體幾何結構，以實現某些特定頻段的覆蓋。

不論何種天線，其外觀結構對天線性能的好壞有著極大的影響。在智能設備高速發展的今天，小型、多頻段天線是研究的一個重點方向，分形天線最突出優點就是結構的自相似性帶來的多頻寬帶特性。近年來，圓形、環形、圓環形等結構在分形天線的研究中使用較多，文獻［3］中基于分形理論設計了一種疊加橢圓環形3頻單極子縫隙天線，可覆蓋WiMAX，WLAN和X波段。文獻［4］中設計的一款類Minkowski分形微帶天線，可覆蓋ISM2.4G（2.4 ～2.483 5 GHz）、Bluetooth、GPS、WLAN（2.4 ～2.48 GHz）等多個頻段，但其尺寸較大。本文結合仿生和分形天線的優點，借鑒銅錢草近似圓形的外形，利用分形幾何自相似特點，采用圓環形輻射體結構，設計了一種小尺寸、多頻段天線，以適用于多個無線通信網絡應用。

1 仿銅錢草結構多頻段天線的結構演進

銅錢草，學名中華天胡荽（Hydrocotyle chinensis（Dunn）Craib），水生草本植物，葉片薄，圓腎形，表面深綠，如圖1所示。仿照葉片外形建立兩個大小不同的圓環輻射體，由寬為1 mm，厚度為35 μm的銅制微帶導線與兩圓環輻射體連接，采用共面波導結構進行饋電。接地板為長方形結構，內導線與兩邊接地板的縫隙寬帶為0.5 mm，如圖2（a）所示。由圖3（a）中回波損耗可見：一個圓環對應產生一個中心諧振頻點，-10 dB 頻段帶寬覆蓋了1.69 ～2.36 GHz和3.49～4.42 GHz兩個頻段，其中，左側大圓環輻射體對應2.0 GHz中心諧振頻點，右側小圓環對應3.8 GHz中心諧振頻點。為了產生更多的可控諧振頻點，繼續增加圓環型仿葉片輻射體，天線結構分別如圖2（b）、（c）所示。相應地，3葉片結構和4葉片結構天線的回波損耗如圖3（b）、（c）所示。

圖1 自然界中的銅錢草

圖2 天線分形迭代演進過程

圖3 不同演進結構下的天線回波損耗曲線

從圖3（a）中可見，3 葉片結構天線在2.0、3.9 和5.3 GHz處產生了3個諧振頻點，而5.3 GHz處天線的回波損耗較高，需要進行改進。4葉片結構天線在1.4、2.5、3.9 GHz處產生了3 個諧振頻點，與需要的覆蓋頻段存在一定偏差。接下來對接地板的形狀和尺寸等參數進行優化。

2 接地板形狀及尺寸優化

接地板的尺寸大小和形狀對天線的性能影響很大。將接地板形狀從長方形改變成梯形，利用高頻結構仿真軟件（High Frequency Structure Simulator，HFSS）V15.0版本對梯形的上邊寬度和高度進行參數優化。由矩形結構到梯形結構的變化，接地板對天線工作頻段的性能影響很大，如圖4（a）所示。

圖4 接地板形狀及尺寸參數優化

通過對回波損耗掃描結果分析，對于梯形結構接地板，選擇梯形的上邊寬度為5.75 mm，高度為15 mm為最佳，此時天線的頻段覆蓋范圍最優，有效增大了帶寬。由圖4（b）中的回波損耗曲線可見，隨著接地板高度減小，低頻段的回波損耗變化不大，高頻段的回波損耗逐漸減小。

3 仿銅錢草天線結構尺寸及性能

最終天線輻射體結構由4個圓環和枝節組成，使用共面波導進行饋電，接地板采用梯形結構，介質板為厚度為1.6 mm、介電常數為4.4的FR4材料，天線結構參數見表1；天線結構模型如圖5所示。

表1 天線結構參數 mm

圖5 天線結構模型

其中，W和H分別為天線的寬度與高度；W1、W2和H1分別為梯形接地板的上下寬度和高度；R1、r1、R3、r3分別為輻射圓環的外半徑；r2、R2、r4、R4虛線分別為輻射圓環的內半徑；l1～l4分別為輻射圓環與中心饋線連接的枝節長度；w3表示中心饋線的寬度。

3.1 天線覆蓋頻段

采用HFSS軟件V15.0版本進行仿真，得到回波損耗曲線，如圖6所示，中心諧振頻點分別為1.3、2.5、3.9、5.0 GHz，-10 dB 帶寬分別為1.11 ～ 1.55 GHz，其相對帶寬為33.1%，2.34 ～2.59 GHz，其相對帶寬為10%，3.49 ～5.83 GHz，其相對帶寬為50%，天線覆蓋的應用頻段見表2。

圖6 回波損耗曲線

表2 天線覆蓋頻段

因此，該天線可用于TD-LTE專網寬帶集群、北斗導航系統、TDD業務、雷達業務、衛星廣播業、無線定位業務、4G、5G移動通信、衛星地球探測以及無線電定位等業務。

3.2 天線表面電流

天線表面電流如圖7所示，在各諧振頻點處輻射體上電流分布較均勻。其中，在1.3 GHz處，右上角的圓環葉片表面電流最強，說明右上角的圓環葉片對該頻點起到主要影響；同樣，在2.5 GHz處，左上角的圓環葉片表面電流最強，對該頻點起到主要影響；在3.9 GHz處，右下角的圓環葉片表面電流最強；而在5.0 GHz處，左下角的圓環葉片表面電流最強。

3.3 天線輻射方向圖

圖8 給出了天線分別在1.3、2.5、3.9、5.0 GHz中心諧振頻率下的3D方向圖和E、H面方向圖。其中紅色實線為E面方向圖，紫色虛線為H面方向圖。可見，天線在4個諧振點處的增益較為理想。隨著頻率的升高，天線方向圖出現了一定的旁瓣。

4 仿銅錢草結構多頻段天線實物與實測

對最終優化定型的仿銅錢草結構天線制作了實物，如圖9所示，采用AV3629B矢量網絡分析儀進行了電磁環境下的回波損耗測試，如圖10所示。

圖9 天線實物

圖10 實測環境

由于測試環境和天線制作過程中的誤差，通過實測結果與仿真結果比較可見，中心諧振頻點存在一定偏移，回波損耗在3.5～6 GHz頻段中有下移趨勢，如圖11所示。但總體上，仿銅錢草結構多頻段天線的實測曲線與仿真曲線較為接近，匹配程度較高，可以滿足實際應用。

圖11 天線實測和仿真對比圖

5 結 語

本文設計了一種結構新穎的仿銅錢草結構多頻段天線，采用共面波導饋電以及分形結構，實現了天線的多頻寬帶特性和結構的小型化。該天線可覆蓋1.11～1.55 GHz、2.34 ～2.59 GHz、3.49 ～5.83 GHz 等頻段，可以滿足多種通信網絡的頻段要求，在上述通信頻段內具有良好的全向輻射特性。