仿銅錢(qián)草結(jié)構(gòu)多頻帶天線設(shè)計(jì)

冉小英，于 臻，徐幸秋

（華北科技學(xué)院電子信息工程學(xué)院，河北廊坊065201）

0 引 言

萬(wàn)物生長(zhǎng)的自然界一直以來(lái)都是人類發(fā)展創(chuàng)造和技術(shù)思想靈感的來(lái)源。自然界的生物經(jīng)過(guò)上億年的進(jìn)化演變，具有非常完美的體形結(jié)構(gòu)。仿生天線就是通過(guò)探究和模擬生物形態(tài)。設(shè)計(jì)的天線輻射體幾何結(jié)構(gòu)，以實(shí)現(xiàn)某些特定頻段的覆蓋。

不論何種天線，其外觀結(jié)構(gòu)對(duì)天線性能的好壞有著極大的影響。在智能設(shè)備高速發(fā)展的今天，小型、多頻段天線是研究的一個(gè)重點(diǎn)方向，分形天線最突出優(yōu)點(diǎn)就是結(jié)構(gòu)的自相似性帶來(lái)的多頻寬帶特性。近年來(lái)，圓形、環(huán)形、圓環(huán)形等結(jié)構(gòu)在分形天線的研究中使用較多，文獻(xiàn)［3］中基于分形理論設(shè)計(jì)了一種疊加橢圓環(huán)形3頻單極子縫隙天線，可覆蓋WiMAX，WLAN和X波段。文獻(xiàn)［4］中設(shè)計(jì)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(gè)頻段，但其尺寸較大。本文結(jié)合仿生和分形天線的優(yōu)點(diǎn)，借鑒銅錢(qián)草近似圓形的外形，利用分形幾何自相似特點(diǎn)，采用圓環(huán)形輻射體結(jié)構(gòu)，設(shè)計(jì)了一種小尺寸、多頻段天線，以適用于多個(gè)無(wú)線通信網(wǎng)絡(luò)應(yīng)用。

1 仿銅錢(qián)草結(jié)構(gòu)多頻段天線的結(jié)構(gòu)演進(jìn)

銅錢(qián)草，學(xué)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(gè)大小不同的圓環(huán)輻射體，由寬為1 mm，厚度為35 μm的銅制微帶導(dǎo)線與兩圓環(huán)輻射體連接，采用共面波導(dǎo)結(jié)構(gòu)進(jìn)行饋電。接地板為長(zhǎng)方形結(jié)構(gòu)，內(nèi)導(dǎo)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(jiàn)：一個(gè)圓環(huán)對(duì)應(yīng)產(chǎn)生一個(gè)中心諧振頻點(diǎn)，-10 dB 頻段帶寬覆蓋了1.69 ～2.36 GHz和3.49～4.42 GHz兩個(gè)頻段，其中，左側(cè)大圓環(huán)輻射體對(duì)應(yīng)2.0 GHz中心諧振頻點(diǎn)，右側(cè)小圓環(huán)對(duì)應(yīng)3.8 GHz中心諧振頻點(diǎn)。為了產(chǎn)生更多的可控諧振頻點(diǎn)，繼續(xù)增加圓環(huán)型仿葉片輻射體，天線結(jié)構(gòu)分別如圖2（b）、（c）所示。相應(yīng)地，3葉片結(jié)構(gòu)和4葉片結(jié)構(gòu)天線的回波損耗如圖3（b）、（c）所示。

圖1 自然界中的銅錢(qián)草

圖2 天線分形迭代演進(jìn)過(guò)程

圖3 不同演進(jìn)結(jié)構(gòu)下的天線回波損耗曲線

從圖3（a）中可見(jiàn)，3 葉片結(jié)構(gòu)天線在2.0、3.9 和5.3 GHz處產(chǎn)生了3個(gè)諧振頻點(diǎn)，而5.3 GHz處天線的回波損耗較高，需要進(jìn)行改進(jìn)。4葉片結(jié)構(gòu)天線在1.4、2.5、3.9 GHz處產(chǎn)生了3 個(gè)諧振頻點(diǎn)，與需要的覆蓋頻段存在一定偏差。接下來(lái)對(duì)接地板的形狀和尺寸等參數(shù)進(jìn)行優(yōu)化。

2 接地板形狀及尺寸優(yōu)化

接地板的尺寸大小和形狀對(duì)天線的性能影響很大。將接地板形狀從長(zhǎng)方形改變成梯形，利用高頻結(jié)構(gòu)仿真軟件（High Frequency Structure Simulator，HFSS）V15.0版本對(duì)梯形的上邊寬度和高度進(jìn)行參數(shù)優(yōu)化。由矩形結(jié)構(gòu)到梯形結(jié)構(gòu)的變化，接地板對(duì)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(shù)優(yōu)化

通過(guò)對(duì)回波損耗掃描結(jié)果分析，對(duì)于梯形結(jié)構(gòu)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(shí)天線的頻段覆蓋范圍最優(yōu)，有效增大了帶寬。由圖4（b）中的回波損耗曲線可見(jiàn)，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(qián)草天線結(jié)構(gòu)尺寸及性能

最終天線輻射體結(jié)構(gòu)由4個(gè)圓環(huán)和枝節(jié)組成，使用共面波導(dǎo)進(jìn)行饋電，接地板采用梯形結(jié)構(gòu)，介質(zhì)板為厚度為1.6 mm、介電常數(shù)為4.4的FR4材料，天線結(jié)構(gòu)參數(shù)見(jiàn)表1；天線結(jié)構(gòu)模型如圖5所示。

表1 天線結(jié)構(gòu)參數(shù) mm

圖5 天線結(jié)構(gòu)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(huán)的外半徑；r2、R2、r4、R4虛線分別為輻射圓環(huán)的內(nèi)半徑；l1～l4分別為輻射圓環(huán)與中心饋線連接的枝節(jié)長(zhǎng)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(jìn)行仿真，得到回波損耗曲線，如圖6所示，中心諧振頻點(diǎn)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(duì)帶寬為33.1%，2.34 ～2.59 GHz，其相對(duì)帶寬為10%，3.49 ～5.83 GHz，其相對(duì)帶寬為50%，天線覆蓋的應(yīng)用頻段見(jiàn)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(wǎng)寬帶集群、北斗導(dǎo)航系統(tǒng)、TDD業(yè)務(wù)、雷達(dá)業(yè)務(wù)、衛(wèi)星廣播業(yè)、無(wú)線定位業(yè)務(wù)、4G、5G移動(dòng)通信、衛(wèi)星地球探測(cè)以及無(wú)線電定位等業(yè)務(wù)。

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(diǎn)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(huán)葉片表面電流最強(qiáng)，說(shuō)明右上角的圓環(huán)葉片對(duì)該頻點(diǎn)起到主要影響；同樣，在2.5 GHz處，左上角的圓環(huán)葉片表面電流最強(qiáng)，對(duì)該頻點(diǎn)起到主要影響；在3.9 GHz處，右下角的圓環(huán)葉片表面電流最強(qiáng)；而在5.0 GHz處，左下角的圓環(huán)葉片表面電流最強(qiáng)。

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(shí)線為E面方向圖，紫色虛線為H面方向圖。可見(jiàn)，天線在4個(gè)諧振點(diǎn)處的增益較為理想。隨著頻率的升高，天線方向圖出現(xiàn)了一定的旁瓣。

4 仿銅錢(qián)草結(jié)構(gòu)多頻段天線實(shí)物與實(shí)測(cè)

對(duì)最終優(yōu)化定型的仿銅錢(qián)草結(jié)構(gòu)天線制作了實(shí)物，如圖9所示，采用AV3629B矢量網(wǎng)絡(luò)分析儀進(jìn)行了電磁環(huán)境下的回波損耗測(cè)試，如圖10所示。

圖9 天線實(shí)物

圖10 實(shí)測(cè)環(huán)境

由于測(cè)試環(huán)境和天線制作過(guò)程中的誤差，通過(guò)實(shí)測(cè)結(jié)果與仿真結(jié)果比較可見(jiàn)，中心諧振頻點(diǎn)存在一定偏移，回波損耗在3.5～6 GHz頻段中有下移趨勢(shì)，如圖11所示。但總體上，仿銅錢(qián)草結(jié)構(gòu)多頻段天線的實(shí)測(cè)曲線與仿真曲線較為接近，匹配程度較高，可以滿足實(shí)際應(yīng)用。

圖11 天線實(shí)測(cè)和仿真對(duì)比圖

5 結(jié) 語(yǔ)

本文設(shè)計(jì)了一種結(jié)構(gòu)新穎的仿銅錢(qián)草結(jié)構(gòu)多頻段天線，采用共面波導(dǎo)饋電以及分形結(jié)構(gòu)，實(shí)現(xiàn)了天線的多頻寬帶特性和結(jié)構(gòu)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(wǎng)絡(luò)的頻段要求，在上述通信頻段內(nèi)具有良好的全向輻射特性。