一種小型特殊形狀圓極化多頻諧波天線設(shè)計(jì)*

林 麗李 星

(1.沈陽(yáng)開(kāi)放大學(xué)理工學(xué)院，遼寧 沈陽(yáng)110003，2.沈陽(yáng)建筑大學(xué)理學(xué)院，遼寧 沈陽(yáng) 110168)

在當(dāng)前通信天線小型化設(shè)計(jì)過(guò)程中，通常認(rèn)為復(fù)合右/左傳輸技術(shù)是最有效的方法[1-4]，可以提供左手(left-handed，LH)和右手(right-handed，RH)傳播，并能夠改善阻抗匹配[5]。另一種主流技術(shù)則主要用于微波器件和濾波器的介質(zhì)諧振器，介質(zhì)諧振器天線(dielectric resonator antenna，DRA)具有低損耗、高增益和高效率等優(yōu)點(diǎn)[6]，但缺點(diǎn)是價(jià)格較高。DRA 具有多種應(yīng)用前景，如圓極化天線和多波段的圓柱形DRA。近年來(lái)，研究人員發(fā)現(xiàn)，DRA 可以有效改善天線的增益和帶寬。例如:Sharma 等[7]通過(guò)接地層和電磁帶隙負(fù)載構(gòu)造了一個(gè)CRLH 結(jié)構(gòu)，并通過(guò)空矩形DRA 產(chǎn)生了有良好輻射方向圖的雙模結(jié)果，改善了帶寬并減小了天線的尺寸。此外，圓極化被用來(lái)提高傳輸鏈路的預(yù)算和減少由線偏振波引起的偏振失配。Gupta 等人[8]提出用口徑耦合饋電的天線來(lái)實(shí)現(xiàn)雙圓極化DRA。Varshney 等人[9]討論了雙頻圓極化DRA。該天線由三角形環(huán)形孔徑饋電，可以控制LH 圓極化和RH 圓極化。另一方面，基于耦合特性的二次諧波天線在雙頻和雷達(dá)諧波檢測(cè)中得到了廣泛的應(yīng)用，緊湊型圓極化天線的需求不斷增加。

本文利用寄生環(huán)路提供二次諧波特性，設(shè)計(jì)并制造了一種結(jié)合CRLH 與介質(zhì)負(fù)載的緊湊型天線原型，實(shí)現(xiàn)了圓極化的多頻段諧振。首先，設(shè)計(jì)了環(huán)形天線和CRLH，并使用寄生元件來(lái)增加諧振次數(shù)和控制諧波。其次，增加了一個(gè)介電層來(lái)提高增益和調(diào)整帶寬。與用傳統(tǒng)CRLH 技術(shù)制造的天線相比，CRLH 與介質(zhì)部分的相互作用提供了更緊湊的尺寸。在2.4 GHz 和5.5 GHz 兩個(gè)諧振情況下，將實(shí)驗(yàn)結(jié)果與現(xiàn)有的模型進(jìn)行了性能分析比較。

1 原理分析

微帶曲折線是一種串聯(lián)電感和電容的結(jié)構(gòu)，該結(jié)構(gòu)的幾何形狀和等效電路模型如圖1 所示。

如圖1(a)所示，微帶曲折線由幾個(gè)小微帶部分組成。必須將每一段微帶產(chǎn)生的電感組合起來(lái)，才能計(jì)算出該結(jié)構(gòu)的電感。根據(jù)導(dǎo)體中電流的方向，兩個(gè)導(dǎo)體之間的互感可以是正的，也可以是負(fù)的。如果這兩條傳輸線的電流相同，則互感為正值，否則為負(fù)值。負(fù)耦合會(huì)降低總電感。對(duì)于距離較近的導(dǎo)體，耦合效應(yīng)較高。相互垂直的導(dǎo)體之間有輕微的耦合。此外，具通孔微帶線被視為并聯(lián)電感。采用寄生環(huán)路(外環(huán))來(lái)產(chǎn)生二次諧波[10-11]，以提高天線的帶寬。

計(jì)算每個(gè)電感的方式如下:

式中:l為導(dǎo)線長(zhǎng)度，W為線寬，t為導(dǎo)線銅厚。

互感的計(jì)算方式為:

式中:le和d分別為平行導(dǎo)體的有效長(zhǎng)度和距離，單位為μm。例如圖1(d)的總電感等于:

2 天線設(shè)計(jì)

所提基于CRLH-DRA 負(fù)載的天線設(shè)計(jì)如圖2所示。該天線由三個(gè)部分組成。底層包含微帶環(huán)貼片，該貼片連接到SMA 50 Ω 連接器上，如圖2(a)所示。此外，在該結(jié)構(gòu)中增加了一個(gè)寄生環(huán)路，以提高帶寬，從而提供二次諧波特性。

圖2 所提諧波天線的設(shè)計(jì)

該天線的中間部分有一個(gè)介電負(fù)載，是通過(guò)三個(gè)CRLH 單元連接而成的。它們相互連接，以120°的角度排列，垂直于微帶環(huán)貼片。每個(gè)單元具有曲折形狀的微帶線。一側(cè)為左手電容，另一側(cè)為左手電感，并使用穿過(guò)電介質(zhì)的通孔進(jìn)行連接，如圖2(b)所示。曲折元件連接到底側(cè)的環(huán)上，而矩形條利用通孔接地。上部有一個(gè)圓柱形的電介質(zhì)。通孔(半徑為0.6 mm)布局和接地層視圖如圖2(c)所示。

該緊湊型天線設(shè)計(jì)具有高增益和圓極化的多頻特性。為了提高天線的效率和阻抗匹配性，在結(jié)構(gòu)的頂部使用了介質(zhì)層。此外，還利用缺陷接地結(jié)構(gòu)來(lái)控制電流，以提高天線的帶寬。介質(zhì)透鏡尺寸是控制天線諧振和匹配的重要因素，本文主要考慮的參數(shù)為圓柱盤(pán)的厚度(h1)。h1變化時(shí)的天線回波損耗仿真如圖3 所示。

圖3 h1 變化時(shí)的天線回波損耗仿真

如圖3 所示，h1從0.8 mm 到4 mm 變化。與其他情況相比，厚度為2.4 mm 的最佳匹配值大于20 dB。因此，h1對(duì)共振頻率的影響有限，可以將2.4 mm 和3.2 mm 的厚度設(shè)為最佳值。因此，天線尺寸參數(shù)如下:D1=26.4 mm、D2=0.8 mm、h1=3.2 mm、h2=10 mm、h3=1.6 mm、h4=1.6 mm、L1=8.8 mm、R1=10 mm、R2=12.5 mm、W1=12.5 mm、W2=1.5 mm、W3=1 mm 和Wsub=32 mm。

3 實(shí)驗(yàn)結(jié)果與分析

3.1 仿真與測(cè)量結(jié)果對(duì)比

基于有限元方法，利用Ansoft HFSS 軟件對(duì)天線進(jìn)行仿真。測(cè)量由網(wǎng)絡(luò)分析儀HP8710 完成。同時(shí)，采用低成本的FR-4 介質(zhì)制作出該天線原型，如圖4 所示。

圖4 所制作的天線原型

通過(guò)仿真和測(cè)量，并與沒(méi)有寄生環(huán)路的結(jié)構(gòu)進(jìn)行比較，得出了天線回波損耗如圖5 所示。

圖5 天線回波損耗

通過(guò)對(duì)比可以看出，所提天線中采用的寄生環(huán)可以顯著提高帶寬和匹配度。此外，觀察發(fā)現(xiàn)，所提天線有四頻(S11＜-6 dB)，頻率為2.25 GHz(個(gè)人無(wú)線應(yīng)用)、2.8 GHz(藍(lán)牙和LTE 應(yīng)用)、4.5 GHz(WiMAX 應(yīng)用)和6 GHz。這些波段的帶寬分別為3.7%、8.5%、5.3%和18.5%。仿真結(jié)果與實(shí)測(cè)數(shù)據(jù)吻合良好。

天線原型的電流分布仿真結(jié)果如圖6 所示。

由圖6 可以看出電流是如何通過(guò)結(jié)點(diǎn)轉(zhuǎn)移到曲折環(huán)路的。首先，通孔將電流從曲折段傳遞到微帶線。然后，另一個(gè)通孔將該傳輸線連接到接地層。如前所述，天線有一個(gè)寄生元件，這個(gè)元件的影響可以在2.25 GHz 和4.5 GHz 處看到。隨著頻率的增加，寄生元件效應(yīng)減小，而對(duì)于4.5 GHz 的二次諧波，電流集中在曲折部分的程度大于2.25 GHz 的一次諧波。。

圖6 天線原型的電流分布

所有諧振的天線三維方向圖和增益如圖7所示。

圖7 天線三維方向圖和增益

如圖7 所示，天線的增益對(duì)于第一次諧振是負(fù)值，而環(huán)路之間的耦合使第二次諧波產(chǎn)生諧振。對(duì)于2.25 GHz 的第一次諧振，天線電流集中在環(huán)路上(圖6(a))，因此曲折線對(duì)場(chǎng)控制沒(méi)有任何影響。這種耦合導(dǎo)致此諧振的低增益約為-6 dB(圖7(a))。然而，在4.5 GHz 的二次諧波中，耦合和曲折線之間的相互作用最終導(dǎo)致模式失真，如圖7(c)所示。在2.8 GHz 的二次諧振中，耦合效應(yīng)急劇減弱，介質(zhì)彎曲起主要作用。因此，可以預(yù)測(cè)該諧振的更高增益和方向性。在6 GHz 的二次諧波時(shí)，增益增加到6 dB(圖7(d))。當(dāng)Phi=0°和90°時(shí)，天線在6 GHz 時(shí)的輻射方向圖如圖7(e)所示。

3.2 與以往研究的比較

本節(jié)將天線原型的性能與其他文獻(xiàn)在2.4 GHz和5.5 GHz 下的研究結(jié)果進(jìn)行了比較，結(jié)果如表1和表2 所示。

表1 2.4 GHz 時(shí)的天線性能比較

表2 5.5 GHz 時(shí)的天線性能比較

上述結(jié)果表明，該天線原型在2.4 GHz 具有較低的增益，但天線尺寸比其他類(lèi)型的天線(如縫隙天線)更緊湊。特別是大部分增益較高的天線諧振次數(shù)有限，而該天線有四個(gè)諧振頻率。在5.5 GHz頻段，該天線表現(xiàn)出了高增益、高帶寬、高圓極化等優(yōu)點(diǎn)，與以往的其他型號(hào)天線相比有很大的優(yōu)勢(shì)。

4 結(jié)語(yǔ)

本文設(shè)計(jì)了一種具有較高增益的緊湊型天線。該天線主要綜合了兩種重要的天線設(shè)計(jì)方法。CRLH 技術(shù)用于實(shí)現(xiàn)尺寸小型化，而介質(zhì)負(fù)載則用于更高的增益和更高的帶寬。仿真和實(shí)驗(yàn)結(jié)果表明，采用特殊形狀將CRLH 技術(shù)和DRA 技術(shù)相結(jié)合，可以獲得圓極化特性。該多頻段天線具有成本低、重量輕、增益高、帶寬大、匹配性好等特點(diǎn)，是覆蓋無(wú)線通信系統(tǒng)所需各種頻段的理想候選天線。