一種蜂窩縫隙結(jié)構(gòu)的天線設(shè)計

江西理工大學(xué)信息工程學(xué)院 余景東

提出了一款基于蜂窩結(jié)構(gòu)的小型化寬頻天線。在FR4基片的地板面中央蝕刻出一個由7個正六邊形拼合而成的蜂窩形縫隙，同時在縫隙的中央加載一個形狀相同尺寸不同的蜂窩形貼片，在基片另一側(cè)利用微帶線電磁耦合饋電方式對縫隙饋電。天線的最終尺寸為25mm×25mm×1.3mm。在HFSS仿真平臺上的仿真結(jié)果表明回波損耗小于-10dB的帶寬為3.7到12.6GHz，相對帶寬達(dá)到109%。在工作頻帶內(nèi)輻射性能較好，適用于寬頻無線通信系統(tǒng)中。

1 縫隙天線的簡介

日新月異的無線通信技術(shù)給人們帶來了非凡的通信體驗。但隨著無線通信系統(tǒng)的深入發(fā)展，寬頻化和小型化儼然成為了限制無線通線系統(tǒng)發(fā)展的瓶頸。微帶縫隙天線可寬頻化與可小型化的特性使其在無線通信系統(tǒng)中有著重要的地位。相對于傳統(tǒng)的窄縫隙天線，寬縫天線有著更寬的工作帶寬，而且在單一天線的應(yīng)用情況下，交叉極化已不再是衡量天線性能的重要技術(shù)指標(biāo)。所以，作為一種可集成超寬帶天線，寬縫天線有著極好的應(yīng)用前景，已經(jīng)廣泛的應(yīng)用于無線通信系統(tǒng)中。

傳統(tǒng)的窄縫天線相對帶寬較窄的原因主要是其長寬比極大，饋電激勵后一般只激勵出單一的諧振模式，屬于諧振型天線，自然天線的帶寬窄。基于此，研究人員通過增大縫隙寬度，引入漸變縫隙，使其長寬比大幅減小使其在被饋電激勵時激勵出高次模，從而拓展天線的有效工作頻帶。趙紅梅等在《一種新型平面超寬帶天線的設(shè)計》一文中提出了一款正六邊形寬縫加載正六邊形輻射貼片的小型化寬頻天線，其最終設(shè)計尺寸為25mm×25mm×1.6mm，其阻抗相對帶寬達(dá)到了113%。譚菲菲等在《一種六邊形縫隙寬帶微波天線設(shè)計》一文中提出了一款以正六邊形作為縫隙結(jié)構(gòu)的天線，同趙紅梅文章中不一樣的是其為未采用貼片加載。最終取得的阻抗相對帶寬為48.5%。黃健全等在《一種新型平面超寬帶縫隙天線》一文中通過采用漸變縫隙及漸變縫隙加載手段得到天線的小型化與寬頻化特性。最終的天線介質(zhì)基片設(shè)計尺寸僅為15mm×25mm×0.8mm，這比趙紅梅文章中提出的天線尺寸還要小，相對阻抗帶寬達(dá)到了110%。王友保等在《基于特征模理論的縫隙寬帶天線設(shè)計》一文中基于特征模理論提出了一款新型縫隙天線，通過精心設(shè)計使天線工作于多模諧振下獲取寬頻帶。

基于上述分析，作者在經(jīng)驗與理論的基礎(chǔ)上，提出了一款基于蜂窩結(jié)構(gòu)縫隙且加載蜂窩形貼片的新型縫隙天線。蜂窩形縫隙具體是由7個正六邊形單元拼合而成，輻射貼片亦是如此。這種縫隙具有漸變、長寬比小的特點，易于激勵出多種諧振模式。同時加載于縫隙中央的蜂窩形貼片在饋電時也能產(chǎn)生感應(yīng)電流，形成新的等效諧振回路，進(jìn)而產(chǎn)生新的諧振模式。這些都有利于拓展天線的工作頻帶。

2 天線結(jié)構(gòu)設(shè)計

所設(shè)計的天線的基片材料為常用的FR4環(huán)氧樹脂，其介電常數(shù)為4.4，損耗角正切值為0.02。天線的具體模型設(shè)計如圖1所示。

圖1 天線結(jié)構(gòu)視圖

在其頂部視圖中，基片呈現(xiàn)面為地板面，長寬均為W，厚度為h。首先在地板面的中心蝕刻出一個如圖1(a)所示的蜂窩形縫隙，單個正六邊形單元的中心到頂點的距離為s。這樣的漸變寬縫在被饋電時可以激勵出高次模，得到多種諧振模式，提高天線的截止工作帶寬。而且漸變縫隙能夠曲折表面電流的流通路徑，延長其有效流通路徑，達(dá)到小型化的目的。然后再在縫隙中央加載一個形狀相同尺寸不同的蜂窩形貼片作為寄生貼片，其正六邊形單元的中心到頂點的距離為k。寄生貼片的作用在于在饋電后其貼片表面也會產(chǎn)生感應(yīng)電流，形成新的等效諧振回路，再次為天線添加新的諧振模式。在其底部視圖中，通過在基片地板面的對面蝕刻50Ω微帶線，采用電磁耦合饋電的方式對縫隙進(jìn)行饋電。電磁耦合饋電有著較多的可調(diào)節(jié)參數(shù)，比如饋線與縫隙的相對距離，饋線的長度以及饋線的末端構(gòu)形等等。

3 天線仿真結(jié)果與分析

縫隙與寄生貼片的設(shè)計對天線性能影響很大，因此首先需要確定的是天線中縫隙與寄生貼片的尺寸大小。從縫隙與貼片的形狀構(gòu)成可知，可以通過構(gòu)成其整體形狀的正六邊形單元中心到頂點的距離參量值s和k來間接調(diào)控縫隙和貼片的大小。基于此，下面首先給出了對參量s和k進(jìn)行仿真分析后得到的在不同取值下天線的回波損耗曲線。

這里分別對s與k進(jìn)行了步長為0.5mm的參數(shù)掃描分析。從圖2可以看出，3.2mm與4.2mm分別為s參量的上限與下限值。而且，伴隨著s的變化，回波損耗曲線不僅表現(xiàn)為諧振頻點的偏移，還有諧振模式的刪減。這主要是因為寬縫隙的大小發(fā)生了變化，導(dǎo)致與饋線間的電磁耦合量發(fā)生了變化，引起縫隙里電磁輻射的變化。接著分析參量k變化帶來的影響。圖3展示了k取0.9mm、1.4mm和1.9mm時的回波損耗。分析可知，k取0.9mm時亦滿足要求，但是低頻段與中頻段的回波損耗與整體的-10dB帶寬均劣于k取1.4mm時。且k的取值再低于0.9mm已無多大意義，這時寄生貼片的尺寸過低，效果接近于零，這從k取0.9mm時的回波損耗曲線可以預(yù)見到。而k取1.9mm時回波損耗曲線整體抬升，阻抗匹配效果較之于k取另外兩個值時更差，-10dB帶寬相對于k取1.4mm時更小，更為重要的某些頻率處的回波損耗已經(jīng)不能滿足-10dB的要求。基于以上分析，s取3.7mm與k取1.4mm是最優(yōu)的參數(shù)取值。

圖2 隨參量s變化的回波損耗

圖3 隨參量k變化的回波損耗

該設(shè)計采用的是電磁耦合饋電方式。電磁耦合饋電方式是70年代產(chǎn)生的一種新型饋電技術(shù)，分為鄰近耦合饋電與口徑耦合饋電。其標(biāo)志性的特點便是饋線與貼片或縫隙不再同一平面內(nèi)，而是間接饋電。比如在口徑耦合饋電中饋線先對縫隙饋電，再由縫隙對上層基片上的輻射貼片饋電。這種饋電方式的優(yōu)點之一便是可調(diào)參數(shù)多，方便對天線進(jìn)行各種調(diào)試。在該設(shè)計中饋線與縫隙的相對位置這一參量需要重點考慮，通過調(diào)節(jié)該參量可以調(diào)節(jié)饋線與寄生貼片，饋線與縫隙間的電磁耦合量，拓展天線的工作帶寬。本文通過調(diào)節(jié)微帶線饋線長度Lf來調(diào)節(jié)耦合程度，仿真結(jié)果如圖4與圖5所示。

圖5 隨參量Lf 變化的回波損耗(2)

分析上圖可知，在Lf取10.5mm與11mm時，天線的諧振模式并未發(fā)生較為明顯的改變，而Lf取11.5mm時也僅僅是在8到10GHz內(nèi)與前兩者有些許的差異，整體上更多體現(xiàn)的是諧振點的偏移與回波損耗效果的不同。可以看到，隨著Lf的遞增，在3.5到5GHz與10到12GHz內(nèi)，諧振頻點次向左偏移，在6到8GHz內(nèi)，諧振頻點依次向右偏移.在整體的回波損耗效果上Lf取11mm最為理想。圖4更多的是為了確定Lf的最優(yōu)值，所以步長較小。圖5展示了步長為1mm時的回波損耗，可以看到Lf取11mm時帶寬最大。

通過上述分析，天線的阻抗匹配達(dá)到了較好的效果，但仍需討論天線將多少能量輻射出去，而不是單純的耗散在內(nèi)部的電阻上。圖6展示了天線在6GHz、8GHz以及12GHz頻點處的功率輻射增益圖。

圖6 輻射增益圖

首先來分析磁場主工作面H面。可以看到在6GHz與8GHz處H面方向圖有著接近于圓的全向輻射性，而在12GHz處發(fā)生了一些改變，效果不如前兩個頻點處的，但仍不失其全向性。所以H面的輻射在工作頻帶內(nèi)具有較好的穩(wěn)定性。再來分析E面，其在6GHz與8GHz處呈雙向?qū)ΨQ輻射性，最大增益分別達(dá)到了4.49dB與2.58dB。而在Lf處方向圖并未如預(yù)想那樣因為激勵出高次模的原因發(fā)生很大的畸變，但有效輻射的方向發(fā)生了改變，其最大增益為Lf。綜合來說天線的輻射性能較好，能夠?qū)⒛芰吭谀骋环较蛴行У妮椛涑鋈ァ?/p>

通過仿真分析，最終確定的參數(shù)取值為W=25mm，Wf=1.5mm，Lf=11mm，k=1.4mm，s=3.7mm，h=1.3mm。下面是展示最終的仿真結(jié)果。其-10dB帶寬為3.7到12.6GHz，相對帶寬為109%。回波損耗曲線如圖7所示，駐波比曲線如圖8所示。

圖7 回波損耗曲線

圖8 駐波比曲線

本文設(shè)計了一種基于蜂窩結(jié)構(gòu)縫隙加載貼片的小型寬頻天線，最終尺寸為25mm×25mm×1.3mm。仿真結(jié)果表明其工作帶寬頻帶為3.7GHz～12.3GHz，且在整個工作頻段內(nèi)H面均有著較穩(wěn)定的全向輻射特性，E面在低中頻段有著較穩(wěn)定的雙向?qū)ΨQ輻射特性，而在高頻處有輕度的畸變導(dǎo)致其有效輻射方向改變。總體來說這款天線在仿真中達(dá)到了預(yù)定的設(shè)計目標(biāo)，滿足小型化寬頻天線的基本要求，但得出的只是仿真層面上的結(jié)果，是否具有實用性還有待實物測試結(jié)果的驗證。