基于加載寄生帶的雙頻天線設計

豆明瑛,王詩音,樊 榮,荀艷麗,楊 斌

(1. 西安明德理工學院 信息工程學院, 陜西 西安 710124)

(2. 西安賽普特信息科技有限公司, 陜西 西安 710000)

0 引 言

隨著無線通信系統的快速發展,雙頻或多頻天線已成為無線通信系統最重要的組成部件之一,從而引起了廣泛關注[1-2]。為了實現天線雙頻段工作,人們已經開始了廣泛的研究,并且提出一些天線雙頻段工作的技術,如采用多枝節金屬帶線[3]、超材料加載[4]或開槽加載[5]等技術。在文獻[3]的設計中,天線采用多枝節金屬分支實現多頻段工作,但這種設計方法通常增加了天線設計的復雜性。超材料加載是實現天線多頻段工作的一種新方法,但是這種方法設計的多頻段天線帶寬比較窄,且設計難度大,難以實際應用。開槽加載也是一種實現天線雙頻段工作的有效方法,但是傳統開槽方法設計的雙頻段天線存在兩個頻段相互影響的缺點,即兩個頻段不相互獨立。同時,還有其他一些采用單極子實現雙頻工作的天線[6-9]。上述天線雖然可以滿足雙頻的要求,但由于天線參數對雙頻段相互影響,使得天線設計比較困難,這無疑將增加天線設計的復雜性以及使用的不便性。

本文設計了一種微帶饋電的雙頻印刷偶極子天線。該天線通過在偶極子振臂旁平行放置一根金屬寄生單元,降低天線在高頻段的輸入阻抗,實現與饋電端口良好的匹配,從而產生一個新的諧振頻點,實現雙頻段工作。由于改變寄生金屬單元的位置和尺寸只影響高頻段諧振頻點,幾乎不影響低頻段諧振頻點,而偶極子天線尺寸的改變只影響低頻段諧振頻點,不影響高頻段諧振頻點,因此,設計的天線具有雙頻段相互獨立的特性,兩個諧振頻段可根據需求獨立設計,互不影響。

1 天線結構

本文所提出的雙頻段印刷天線的結構如圖1a)所示。天線所用的介質基板為相對介電常數為4.4、厚度為1.6 mm的環氧玻璃布層壓板FR-4基板。該天線主要由微帶饋線、平行金屬帶線、印刷偶極子和寄生金屬條帶組成。天線的饋電部分由微帶饋電線和平行金屬帶線共同組成。所用微帶饋線的寬度wr為3 mm,特性阻抗為50 Ω。微帶饋線、印刷偶極子天線右邊振臂、寄生金屬條帶和平行金屬帶線的上層帶線印刷在介質基板的頂層,如圖1b)所示。而偶極子天線的左振臂、平行金屬帶線的下層帶線以及接地地板印刷在介質基板的底層,如圖1c)所示。

圖1 雙頻段印刷天線結構示意圖

該雙頻段印刷天線的設計思路如下:第一步,與常規印刷偶極子天線一樣,通過調整印刷偶極子天線的臂長d1和臂寬w1,可以調整天線在低頻段的工作頻點,如2.4 GHz,從而通過調整饋電結構改善天線阻抗匹配特性。第二步,將寄生金屬條帶平行放置在基板的頂層。當寄生金屬條帶接近偶極子的振臂時,會引入另一個由寄生金屬條帶長度所決定的諧振頻點。通過調節寄生金屬條帶的長度d2和寬度w2,可以改變該新引入諧振頻點的位置,此處將新的諧振頻段設置在5.2GHz的頻點處,實現覆蓋2.4GHz和5.2 GHz頻段的雙頻段印刷天線。此外,可以通過調節寄生金屬條帶與基板頂層偶極子振臂之間的距離來改善天線的阻抗匹配特性。

2 實驗結果與討論

通過優化程序對所設計天線的尺寸進行優化,最終得到天線的最佳尺寸。w1=2.0mm,w2=1.5mm,d=20mm,d1=24mm,d2=16mm,a=20mm,S=1 mm,g=4 mm。為了驗證本文所設計天線的性能,加工了天線實物并進行測試。

圖2給出了加工天線的實物照片,該天線的外形尺寸為50 mm×60 mm。天線采用一個50 Ω的SMA連接接頭進行饋電,用于測量天線的性能。天線的反射系數特性通過安捷倫E8363B矢量網絡分析儀進行測量,而天線的輻射性能則是通過SATIMO天線近場測量系統進行測量。

圖2 加工天線實物照片

圖3給出了天線反射系數的仿真和測試結果,同時也給出天線無寄生金屬條帶加載時的反射系數仿真結果作為參考。如圖3所示,無金屬條帶加載的偶極子天線只有一個諧振點(2.4 GHz頻段),而當引入一個平行加載的金屬條帶時,在天線的高頻段(5.2 GHz頻段)會產生一個新的諧振頻點,可實現雙頻工作。同時,根據仿真結果可知,當引入新的諧振頻點后(5.2 GHz頻段),對原始的工作頻點(2.4 GHz頻段)幾乎不產生影響。

圖3 天線反射系數仿真和測試結果

根據測試結果可知,天線反射系數的測試結果與仿真結果吻合良好。天線在較低頻段,獲得了12.5%的阻抗帶寬(S11<-10dB),對應頻率范圍為2276MHz～2 580 MHz。對于較高頻段,S11<-10 dB的阻抗帶寬為7.76%,對應頻率范圍為5 162 MHz～5 582 MHz。可以看出,低頻段和高頻段的阻抗帶寬分別覆蓋了2.4 GHz和5.2 GHz的無線局域網工作頻段,證明該天線可以良好地工作在雙頻段。

為了進一步了解寄生金屬條帶對天線性能的影響,對寄生金屬條帶和偶極子的長度進行了參數分析。圖4給出寄生金屬條帶參數的變化對天線阻抗匹配的影響。

圖4 寄生金屬條帶參數對天線阻抗匹配的影響

如圖4a)所示,高頻段諧振頻點主要由寄生金屬條帶的長度d2決定。隨著寄生金屬條帶長度的減小,高頻段諧振頻點向更高的頻段移動。但寄生金屬條帶長度的變化,對低頻段諧振頻點的影響很小。圖4b)給出寄生金屬條帶與印刷偶極子天線振臂間距S的變化對天線阻抗匹配的影響。隨著S的減小,阻抗匹配得到了改善。當間距S=1 mm時,天線具有良好的阻抗匹配。

由于印刷偶極子天線的影響參數較多,這里只對印刷偶極子天線的振臂長度d1進行參數分析。d1對反射系數的影響如圖5所示。由圖5可知,天線的低頻段諧振頻點主要由d1決定,而d1的尺寸改變對高頻段諧振頻點幾乎不產生影響。這意味著所設計的天線具有雙頻段相互獨立特性,因此,天線的兩個諧振頻段可根據需求獨立設計。

圖5 參數d1對阻抗匹配的影響

圖6分別給出了天線在2.4 GHz和5.2 GHz頻段的仿真和實測輻射方向圖。由圖6可知,天線在2.4 GHz和5.2 GHz這兩個工作頻段的輻射模式是全向輻射。對于這兩個諧振頻段來說,E面上的輻射特性仍然可以等效為一個偶極子天線,而H面上的輻射特性則受到饋電結構的影響,在高頻段出現少許畸變,但在天線主輻射方向仍然能實現有效波束輻射。根據測試結果可知,天線在2.4 GHz和5.2 GHz頻段上的前后比分別為6.55 dB和11.40 dB。天線在E面輻射方向圖中,水平方向的衰減主要是由于饋電結構的影響造成的,減小饋電結構的尺寸,可以有效改善輻射方向圖的畸變,實現良好的空間輻射。

圖6 天線不同頻點仿真和實測輻射方向圖

圖7給出了天線在不同頻段的增益測試結果。如圖7所示,該天線在2.4GHz頻段的峰值增益約為5.22 dBi,增益變化較小。而在5.2 GHz頻段上,天線的最大增益約為2.54 dBi,對應的頻點為5.4 GHz。天線在高頻段的增益相對較低,主要由兩方面原因造成。一方面,實測方向圖在高頻段E面出現了不對稱分布,導致功率分散,增益下降。另一方面,該天線加工時采用的介質基板是普通的FR-4基板,其本身在微波頻段就有約10%的介質損耗,在較高的頻段(5.2 GHz頻段)該介質損耗會進一步增大。若在實際應用中,采用損耗低且在覆蓋2.4 GHz和5.2 GHz頻段損耗變化差別不大的介質板,會降低高頻段和低頻段的增益差,更有利于滿足雙頻段工作需求。

圖7 天線在兩個工作頻段的增益

3 結束語

本文設計并制作了一種雙頻段印刷天線。該天線采用簡單有效、易于實現的饋電結構對天線進行饋電,并在2.4 GHz和5.2 GHz兩個頻段對天線進行仿真分析和測試。通過仿真分析可知,改變印刷偶極子振臂的尺寸和寄生金屬條帶的尺寸及位置,可以很方便地設計所需的低頻段和高頻段工作頻點。通過參數分析可知,偶極子天線的尺寸對天線高頻段的性能影響很小,而寄生金屬條帶的尺寸及位置對天線低頻段的性能影響也微乎其微。因此,天線的兩個諧振頻段可根據需求獨立設計,具有雙頻獨立的優點。