新型寬帶高效率平面耦合環(huán)天線設(shè)計

林鑠金,陳 星

(四川大學(xué) 電子信息學(xué)院,四川 成都 610065)

在天線領(lǐng)域,環(huán)天線由于具有結(jié)構(gòu)簡潔的特點得到了廣泛應(yīng)用。根據(jù)天線電尺寸,環(huán)天線可分為大環(huán)天線和小環(huán)天線兩種類型[1],其中小環(huán)天線是指天線周長小于四分之一個波長的環(huán)天線[2]。作為典型的電小尺寸天線,小環(huán)天線存在工作頻帶狹窄和輻射效率低下的缺點,這對小環(huán)天線的工程化應(yīng)用造成嚴重制約。例如文獻[3]設(shè)計的用于短波通信的小環(huán)天線,其相對帶寬僅0.4%。文獻[4]設(shè)計的用于RFID 的小環(huán)天線,其效率只有6.12%。2015 年,Turalchuk 等[5]設(shè)計的用于遠距離閱讀器的小環(huán)天線,其帶寬不到1%。2016 年,Liu 等[6]設(shè)計了一款用于無線傳感器的電小方環(huán)天線,其帶寬為2%,并且輻射效率僅為23%。

為擴展小環(huán)天線工作帶寬和提升其輻射效率,國內(nèi)外開展了大量研究工作。例如通過加載電抗元件消除天線輸入阻抗的虛部分量,以獲得更好的帶寬。但由于引入了電抗元件,天線的輻射效率較低[7-8]。如Chen 等[9]使用的一種電感耦合分支技術(shù),使分支帶引起額外的諧振,從而加寬電小環(huán)天線的帶寬,其天線的相對帶寬達到12%,然而其輻射效率只有30%。也有一些研究人員通過加載多圈環(huán)或折疊天線的方式來提高天線輻射電阻,改善小環(huán)天線輻射效率[10-13],如Polivka 等[14]設(shè)計了一款平面多環(huán)天線,天線由多圈同心電小環(huán)組成,其輻射效率提高到了80%,帶寬為3.8%。2019 年,Antoniades 等[15]通過間隙來調(diào)節(jié)天線的諧振頻率和帶寬的方法為電小環(huán)提供了很好的設(shè)計思路,其相對帶寬為4%,輻射效率達到了60%左右。但是對于實際工程化應(yīng)用,這些研究工作的成果還不足以滿足其嚴苛的要求。

針對環(huán)天線帶寬狹窄、輻射效率低下的問題,本文設(shè)計了一款具有新型結(jié)構(gòu)的平面耦合環(huán)天線,通過在電小環(huán)外部加載多邊形耦合環(huán),改善了天線阻抗匹配,擴展了天線阻抗帶寬。通過調(diào)整輻射內(nèi)環(huán)和耦合外環(huán)的間距,優(yōu)化天線結(jié)構(gòu),最終實現(xiàn)了寬帶高效率環(huán)天線設(shè)計。

1 天線設(shè)計

設(shè)計的平面環(huán)天線如圖1 所示,該天線主要由內(nèi)環(huán)和外環(huán)兩部分組成,一個中空的電小環(huán)作為內(nèi)部耦合環(huán);一個梯形環(huán)和矩形環(huán)組合構(gòu)成外部輻射環(huán),外環(huán)通過加載矩形環(huán)和左右側(cè)對稱的實心部分,可以有效增加電流路徑,拓展天線帶寬。天線饋電點置于內(nèi)環(huán)上底中部,采用50 Ω 的同軸線進行饋電,同軸線內(nèi)導(dǎo)體與內(nèi)環(huán)的a 點連接,外導(dǎo)體與b 點連接。天線加工在相對介電常數(shù)為2.0 的介質(zhì)基板上,基板厚度為0.6 mm。優(yōu)化后的天線結(jié)構(gòu)參數(shù)如表1所示。

表1 天線結(jié)構(gòu)參數(shù)Tab.1 Antenna structure parameters mm

圖1 天線示意圖Fig.1 Schematic diagram of antenna

內(nèi)外環(huán)之間的間距(包括下方間距D2、左右方間距D3和上方間距D4)相當(dāng)程度上決定內(nèi)外環(huán)之間的耦合特性,是天線設(shè)計的關(guān)鍵參數(shù)。使用電磁仿真軟件CST 仿真分析了這3 個間距值對天線性能的影響。圖2 和圖3 分別顯示了下方間距D2對天線駐波比(VSWR)和輻射效率的影響。從圖2 可以看出,隨著下方間距的減小,天線的阻抗帶寬得到了拓寬,同時諧振頻點的反射減小,電壓駐波比的深度也得到了優(yōu)化。從圖3 可以看出,在一定范圍內(nèi),天線輻射效率隨著下方間距的減小而增加,當(dāng)D2<0.25 mm 時,輻射效率隨著內(nèi)外環(huán)下方間距的減小而減小。因此選取D2=0.25 mm,使天線在保持高輻射效率的同時擁有較好的阻抗帶寬。

圖2 駐波比隨內(nèi)外環(huán)下方間距的變化曲線Fig.2 Variation of VSWR with the distance under inner and outer loops

圖3 輻射效率隨內(nèi)外環(huán)下方間距的變化曲線Fig.3 Variation of radiation efficiency with the distance under the inner and outer loops

仿真研究表明,內(nèi)外環(huán)左右方和上方間距對于天線帶寬的影響并不明顯,因此這里主要研究其對于天線輻射效率的影響。圖4 和圖5 分別顯示了天線內(nèi)外環(huán)左右方間距D3和上方間距D4對天線輻射效率的影響。從圖4 可以看出,隨著內(nèi)外環(huán)兩側(cè)間距的縮小,天線的輻射效率先增大后減小。從圖5 可以看出,天線內(nèi)外環(huán)上方的間距對天線也有著同樣的變化趨勢。結(jié)合兩圖,當(dāng)取D3=1.7 mm 和D4=0.8 mm,天線擁有較高輻射效率。

圖4 輻射效率隨內(nèi)外環(huán)左右方間距的變化曲線Fig.4 Variation of radiation efficiency with the left/right distance of the inner and outer loops

圖5 輻射效率隨內(nèi)外環(huán)上方間距的變化曲線Fig.5 Variation of radiation efficiency with the distance above the inner and outer loops

對天線的關(guān)鍵參數(shù)進行優(yōu)化之后,仿真了加載多邊形外環(huán)前后天線的輸入阻抗,以研究加載外環(huán)對天線的影響。圖6(a)和(b)分別顯示了天線加載外環(huán)前后輸入阻抗實部和虛部的數(shù)值對比。從圖6 可以看出,通過加載天線外環(huán),提高了天線輸入阻抗的實部,使天線更易于與信號源進行匹配。同時引入了容抗分量,可以補償耦合虛部的感抗部分,實現(xiàn)了良好的阻抗匹配特性,從而拓寬了天線帶寬。同時,加載外環(huán)也提高了天線的輻射電阻,再通過優(yōu)化內(nèi)外環(huán)的結(jié)構(gòu)和間距,使天線內(nèi)外環(huán)充分耦合,從而實現(xiàn)天線高輻射效率設(shè)計。

圖6 是否加載外環(huán)天線的輸入阻抗對比Fig.6 Simulated impedance with/without outer loop

2 天線仿真與測試對比

為驗證設(shè)計的準(zhǔn)確性,通過仿真優(yōu)化后,對設(shè)計的模型進行了加工和測試,加工實物如圖7 所示。使用安捷倫矢量網(wǎng)絡(luò)分析儀N5230A 對天線實物進行駐波測試,天線VSWR 仿真與實測對比如圖8 所示,在1.28～1.355 GHz 頻率范圍內(nèi)天線的VSWR<2,相對帶寬5.7%,仿真與實測曲線吻合良好,諧振頻率稍微有一點偏差。仿真和實測的誤差來源主要有兩點:(1)天線縫隙尺寸較小,加工精度不夠;(2)天線焊接和儀器連接時產(chǎn)生的測試誤差。

圖7 天線加工實物Fig.7 Photo of the proposed antenna

圖8 仿真與實測駐波比Fig.8 Simulated and measured VSWR

使用微波暗室對天線實物進行方向圖和增益測試,圖9 為天線在中心頻率1.3 GHz 的水平方向圖和垂直方向圖,從圖中可以看出該天線的水平和垂直方向圖都接近全向,測試和仿真結(jié)果吻合良好。天線在1.3 GHz 的實測增益為1.98 dBi,天線在1.3 GHz 的仿真增益為2.06 dBi,根據(jù)仿真和實測增益的差異可計算得到該天線輻射效率為96.11%。

圖9 仿真與測試方向圖Fig.9 Simulated and measured radiation patterns

圖10 為在1.3 GHz 左旋圓極化/右旋圓極化(LHCP/RHCP)方向圖。從圖10 可以看出,天線在1.3 GHz 的極化方式為左旋圓極化,天線交叉極化比大于17 dB,具有較好的遠場輻射特性。

圖10 交叉極化方向圖Fig.10 Cross-polar radiation patterns

3 結(jié)論

本文設(shè)計了一款新型平面雙環(huán)天線,通過加載外環(huán)改善了阻抗匹配,拓寬了天線帶寬,天線在1.28～1.355 GHz 頻段范圍內(nèi)實現(xiàn)了VSWR<2(相對帶寬5.7%);通過內(nèi)外環(huán)耦合,實現(xiàn)了高輻射效率設(shè)計,天線輻射效率達到96.11%。同時天線還兼具平面、輕薄、易于加工等優(yōu)勢,為設(shè)計高效率、寬帶、類全向的天線提供了一種新思路。