用于車載終端通信的雙頻段全向偶極子天線

朱 奎, 廖同慶, 左昌余, 周 剛, 趙讀俊

(1.安徽大學 集成電路學院,安徽 合肥 230601; 2.安徽慶宇光電科技有限公司,安徽 合肥 230061)

0 引 言

隨著無線通信領域的飛速發展,對天線性能的要求也越來越高。目前工作頻段單一的天線已無法滿足實際場景的應用需求,利用單個天線實現多種通信模式下的多個頻段覆蓋,以及在某一平面實現360°均勻輻射的全向特性在無線通信系統中顯得非常重要[1-2]。

文獻[3]提出一款用于WiFi系統的雙頻全向偶極子天線,通過耦合到偶極子的2根輻射枝節引入雙頻諧振,實現工作頻段在2.40～2.50 GHz和5.15～5.85 GHz且具有良好的全向輻射特性;文獻[4]采用共面波導饋電,通過對稱折疊的長單極子和短單極子結構設計出工作在2.43～2.61 GHz和5.67～5.93 GHz的雙頻全向輻射天線;文獻[5]通過一種改進的偶極子結構提出一款高效的雙頻整流天線,該天線工作在0.88～0.94 GHz和2.39～2.54 GHz頻段且全向輻射特性良好。

上述天線雖然具備了雙頻全向輻射特性,但帶寬較窄,尺寸較大,阻抗匹配性能較低,無法滿足露天礦山4G/5G通信的需求。

本文針對露天礦山車載終端需要同時滿足4G/5G且全向通信的特點,設計出一款基于山字型結構的雙頻全向印刷偶極子天線。采用多分支和縫隙開槽技術引入新的諧振點并增大帶寬,對兩側的枝節末端進行漸變處理,使天線在較寬的頻帶內獲得良好的阻抗匹配,以期滿足露天礦山車載終端與基站之間的通信,保證數據的快速傳輸。

1 天線設計

1.1 天線結構分析

天線結構如圖1所示。

圖1 天線結構

天線的整體結構為山字型,輻射貼片的材料為銅,全部印刷在介質基板的上表面,介質基板的材料為介電常數等于4.4的FR4,正切損耗角為0.02,整體尺寸為14 mm×60 mm×1 mm。天線中間輻射貼片結構參考雙錐天線模型,設計成倒三角結構,實現覆蓋的頻段為2.30～2.70 GHz,通過在倒三角輻射貼片上開L形縫隙和矩形縫隙實現寬帶和諧振頻點的偏移[6]。在中間輻射貼片的兩側增加對稱枝節形成山字型結構,使天線的諧振頻率實現4.80～4.90 GHz頻段的覆蓋,其中對稱枝節的兩臂向上傾斜設計,實現了較寬的帶寬及良好的阻抗匹配[7]。山字型輻射貼片的中間以及兩臂的頂端都采用漸變結構的設計,結構漸變性使得天線從一個頻率諧振模式平緩地過渡到另一個頻率諧振模式,確保在較寬的頻帶內獲得良好的阻抗匹配。

采用HFSS15.0軟件對天線的結構及尺寸進行仿真與優化,最終確定的尺寸見表1所列。

表1 天線結構尺寸

1.2 天線設計思路

為了能夠清楚地理解該雙頻段全向偶極子天線的設計思路,天線的設計過程如圖2所示;圖2中所涉及的參考天線對應的回波損耗S11曲線如圖3所示。因為雙錐天線結構是實現全向特性中最簡單的結構之一,所以參考雙錐天線結構,設計出天線1。天線1的S11只在2.52 GHz附近產生單個諧振頻點,并不滿足雙頻段設計需求。為了實現雙頻諧振,需要在4.85 GHz附近出現新的諧振點,因而在天線1的左側引入輻射枝節,設計出天線2。

圖2 天線設計過程

圖3 設計過程中參考天線對應的S11

仿真結果顯示,天線2在4.60 GHz附近產生新的諧振點,但是帶寬太窄,未能覆蓋所需頻段。進一步在天線2的右側引入對稱的輻射枝節,目的是使2個對稱枝節引起的諧振頻率相互靠近來拓展帶寬,設計出天線3。天線3的S11小于-10 dB的頻段覆蓋范圍完全滿足設計需求,但阻抗匹配的性能及中心頻率點所在位置并不是很理想。

在倒三角輻射貼片的頂部邊沿處引入L形和矩形縫隙,增加天線表面電流路徑,使天線中心諧振頻點向低頻移動,設計出天線4。天線4仿真結果顯示天線高頻段的諧振頻點在4.85 GHz附近,完全滿足設計需求。

2 參數分析

在天線的設計過程中,若了解天線結構參數變化對天線性能的影響規律,則可以幫助有效快速完成天線設計。下面對天線的一些重要參數進行分析[8-9]。

1) 中間枝節L1長度對天線S11的影響。保持其他參數不變,將L1的長度依次增加及減少0.7 mm,得到回波損耗S11隨頻率的變化曲線如圖4所示。

圖4 L1變化對S11的影響

從圖4可以看出,對諧振點f1來說,隨著L1長度的增加,電流路徑的長度增加,f1向低頻方向移動,同時改善了阻抗匹配的性能,S11的值減小;對諧振點f2來說,L1長度的增加,f2位置未發生明顯變化,卻導致阻抗匹配性能變差,S11的值在逐漸增加。

因此L1的長度并不是越大越好。結合低頻諧振點f1、高頻諧振點f2的變化特點,最終選擇L1=20.2 mm。

2) 兩側枝節L2長度對天線S11的影響。首先將兩側枝節長度L2作為掃描參數,其尺寸依次增加1 mm和減小1 mm;然后利用仿真軟件進行掃描分析;最后得到S11隨頻率的變化曲線如圖5所示。

圖5 L2變化對S11的影響

從圖5可以看出,隨著L2長度增加,諧振點f2向低頻方向偏移,且阻抗匹配性能增強,因此諧振點變深。

這是由于天線的諧振長度與諧振頻點呈反比例關系,L2的變化主要影響高頻諧振頻率,使f2向低頻方向移動,諧振點f1隨著L2長度的增加沒有表現出明顯的變化。最終兩側枝節L2的長度為10.1 mm。

3) L形縫隙和矩形縫隙的寬度w對天線S11的影響。因為縫隙長度L3的變化基本不影響等效電流的長度,所以不會引起天線性能明顯改變,因而將縫隙寬度w作為分析的對象,依次對其加、減0.7 mm,得到S11隨頻率的變化曲線如圖6所示。

圖6 w變化對S11的影響

從圖6可以看出,隨著w長度增加,低頻諧振點f1和高頻諧振點f2都向低頻方向移動,f1所對應的S11變化很小,而f2所對應的S11明顯變小,阻抗匹配性能逐漸提高。最終L形縫隙和矩形縫隙w選擇的尺寸為0.8 mm。

3 仿真與測試

加工的天線實物如圖7所示,輻射貼片表面進行了沉金工藝處理。

圖7 天線實物

下面對天線的電參數和輻射參數進行測試與分析。

天線仿真與測試的S11曲線如圖8所示。從圖8可以看出,在低頻段,天線的S11小于-10 dB所覆蓋的帶寬為2.12～2.80 GHz,實現覆蓋4G頻段的2.32～2.37 GHz以及5G頻段的2.515～2.675 GHz;在高頻段,天線的S11小于-10 dB所覆蓋的帶寬為4.53～5.55 GHz,覆蓋5G頻段的帶寬為4.80～4.90 GHz。測試結果和仿真結果在趨勢上基本吻合。

圖8 天線仿真與測試的S11曲線

從圖8還可以看出,仿真與測試結果之間存在著一定差異,高頻段帶寬偏窄及天線整體阻抗匹配性能較弱,其原因主要如下:

1) 加工制造過程中存在不可避免的誤差。

2) 實際使用介質基板的介電常數與仿真使用的介電常數有所偏差。

3) 饋電同軸頭的損耗及測試誤差的影響。

為了驗證該天線在其工作頻率內具有較好的全向輻射特性,在天線諧振的低頻段、高頻段分別選取2.52、4.85 GHz 2個諧振點在微波暗室里對該天線的遠場輻射參數進行測試,并繪制仿真與測試的歸一化輻射方向圖,如圖9所示。

圖9 仿真與測試的天線輻射方向

從圖9可以看出,2.52 GHz頻點的XOZ面輻射方向顯示為準8字形,4.85 GHz頻點的XOZ面輻射方向存在一些失真,所有頻點的XOY平面圖案都呈現準圓形。上述輻射特性說明,該天線在整個工作頻帶上展現出良好的全向輻射特性,符合設計要求。

4 結 論

本文了設計一款整體結構為山字型的滿足露天礦山車載終端通信天線。基于雙錐天線結構設計出工作在低頻段的全向偶極子單頻天線,采用多分支技術和縫隙開槽技術引入新的諧振點并增大帶寬。經優化設計、加工和測試,最終該全向天線的帶寬覆蓋為2.12～2.80 GHz和4.53～5.50 GHz頻段,完全滿足露天礦山車載通信終端天線的要求。