一種容性饋電寬帶微帶天線的設計與分析

郭 戈,邵建興

(重慶郵電大學光電工程學院,重慶 400065)

1 引 言

隨著無線通信技術的迅猛發展,對于體積小、頻帶寬的天線需求日益增強。微帶天線具有結構簡單、低剖面和重量輕等顯著優點,非常適合應用于無線通信系統。但是,傳統微帶天線的帶寬通常都小于5%,不能達到現代通信對于帶寬的需求。此外,傳統微帶天線的諧振長度接近半波長,使得其體積過大,也不利于實際應用。通信業務的層出不窮也要求單個天線可以同時滿足多個通信標準的要求,從而達到更好的經濟性。

近年來,出現了很多展寬頻帶和減小微帶天線體積的方法,如:將輻射貼片的一邊接地,在貼片上開槽,輻射貼片與接地板之間使用短路探針和改良的耦合饋電方式等。使用短路面的方法可以有效減小輻射片的體積,但是單一使用這種方法的微帶天線帶寬也只有5%左右[1]。用在輻射貼片上開槽的方法,改變原有表面電流路徑可以達到展寬頻帶的目的[2]。短路探針的使用可以改善輸入阻抗的匹配,從而得到較寬的帶寬[3]。使用改進后的耦合饋電方式可以獲得接近30%的帶寬[4]。

本文在繼承傳統微帶天線優點的基礎上,設計并分析了一種綜合應用容性饋電貼片、短路板和短路探針的寬帶微帶天線。該天線的整體尺寸為58mm×51mm×21mm,頻帶范圍為1.6～2.59GHz,同時覆蓋多個無線通信應用的工作頻段,如小靈通1880～1930MHz、藍牙2402～2480MHz、WLAN (Wireless Local Area Network)2400～ 2483MHz、DCS(Digital Cellular Service)1710～1785MHz及1805～ 1880MHz和 PCS(Personal Communications Service)1850～1910MHz及1930～1990MHz,從而提高了實際應用的經濟性。

2 天線設計

2.1 天線結構設計

在天線的結構方面,容性饋電貼片的引入可以改善同軸饋電帶來的輸入阻抗的不匹配,短路板和短路探針可有效地展寬頻帶并且減小天線的體積。考慮以上因素,設計出天線的結構如圖1所示。

圖1 天線結構圖Fig.1 Antenna geometry

天線采用單層矩形輻射貼片,在-y方向將主輻射貼片短接到接地板,行成一個垂直于接地板的短路面。短路探針將主輻射貼片與接地板短接起來。在饋電方式上,同軸饋電銅芯的饋電點選為矩形容性饋電貼片的對角線交點。容性饋電貼片通過耦合作用來激勵主輻射貼片,并與其共面兩者之間的間隙為D。該天線在主輻射貼片與接地板之間采用泡沫介質(相對介電常數εr=1,接近于空氣介質),不但可以獲得理想的天線帶寬,而且可以固定和支撐主輻射貼片,便于天線的集成和安裝。

2.2 天線尺寸計算

擬設計的天線工作頻段位于300～3500MHz的射頻頻段,設計指標:中心頻率 f0=2GHz;帶寬BW≥30%;回波損耗 S11<-10dB。

應用常規矩形微帶天線的求解公式可以確定主輻射貼片的基本尺寸,以及介質基板的厚度H[5]:

式中,L1、W1分別為天線主輻射貼片的長和寬,c為光速,εe為介質等效介電常數,ΔL為天線的伸長量。當天線駐波比 VSRW≤2.0時,微帶天線帶寬(MHz)的經驗公式可以表示為

在實際工程應用中,當接地板寬度滿足:

即可將接地板視為無限大。

綜合以上各公式可以計算出天線的尺寸,其中接地板尺寸為:WG×LG=78mm×100mm,其它計算和優化調整過的天線尺寸參數見表1。

表1 設計天線的尺寸參數Table 1 Dimensions of the proposed antenna 單位:mm

3 仿真與分析

采用基于有限元法的Ansoft HFSS高頻仿真軟件對本文設計的天線進行仿真。天線的回波損耗仿真結果如圖2所示,天線的相對帶寬達到47.3%(S11<-10dB),頻段為1.6～2.59GHz,實際工作帶寬接近1GHz。3個諧振頻率分別位于1.64GHz、1.95GHz和2.41GHz,該天線獲得的寬帶特性歸功于這3個諧振頻率。

圖2 表1尺寸的天線回波損耗Fig.2 Return loss of the proposed antenna with dimensions in Table1

由于微帶天線貼片上的表面電流分布直接影響到天線的性能,所以為了進一步分析該天線的特性,對該天線在1.8GHz和2.4GHz這兩個主要工作頻率下、相位均為180°時的表面電流分布進行仿真和分析。如圖3所示,表面電流在短路面上較少分布,主要分布在主輻射貼片上,尤其是集中在容性饋電貼片和短路探針附近。通過對比圖3(a)和(b),1.8GHz和2.4GHz兩個頻率的表面電流分布的灰度及密度可以發現,集中在靠近容性饋電貼片附近的表面電流無論在強度還是密度方面都沒有明顯變化,所以容性饋電貼片對天線在這兩個頻率性能的影響具有普遍性。而短路探針附近的表面電流變化則明顯得多,尤其是當天線工作在2.4GHz時,短路探針附近的表面電流強度明顯高于其它部分,但1.8GHz時短路探針附近的表面電流相比之下明顯較弱。所以可以預測:容性饋電貼片至少會對天線1.8GHz和2.4GHz兩個工作頻率的性能造成影響;天線在2.4GHz時,短路探針會對天線性能造成影響。

通過改變LC、WC和D 3個參數,對天線進行了大量的仿真分析。從圖4中天線回波損耗圖可以看出,不同的容性饋電貼片長度LC,不是僅會對天線在1.8GHz和2.4GHz時的回波損耗值產生影響,而是對于天線的整個頻段的回波損耗都產生影響。分析參數WC和D對天線性能影響的仿真結果也可以得到相同的結論。這些結論證明前述第一點表面電流分析預測的正確性。

圖3 主輻射貼片和短路面上的表面電流分布Fig.3 Surface current distributions on shorting wall and main part of patch

圖4 改變容性饋電貼片參數LC的仿真對比Fig.4 Return loss of the proposed antenna in terms of LC

對于短路探針對天線性能的影響,本文選取短接在主輻射貼片與接地板之間大量不同位置短路探針的天線進行仿真分析,結果見表2。從仿真結果可以看出,通過調整短路探針的位置,天線工作在1.8GHz時輻射方向圖基本不受影響,主瓣方向始終位于-12°～12°這個較窄的范圍內,方向性比較穩定。而天線工作在2.4GHz時,天線受到短路探針位置調整的影響,其主瓣方向的區間為-68°～48°,變化較大。這與前述第二點表面電流分析的預測相符。

為保持天線在兩個工作頻率的輻射方向具有一致性,所以應該選取主瓣方向相差較小的短路探針位置。顯然,位置1符合上述要求,因此也將該點的參數作為優化后的參數列入表1。由圖5所示的該天線(尺寸如表1所示)輻射方向圖,在1.8GHz、1.9GHz和2.4GHz 3個工作頻率的主瓣方向分別為-12°、-14°和12°,半功率波瓣寬度為 -46°～ 11°、-54°～ 12°和 -1°～ 37°,天線的輻射方向保持較好的一致性。該天線的增益如圖6所示,天線在主要工作頻段(1.7～2GHz和2.4～2.483GHz)的平均增益分別為6.3dB和7.7dB,差值小于3dB。

表2 短路探針在不同位置的方向圖仿真結果Table 2 The simulated radiation patterns of the proposed antenna with shift of shorting post

圖5 表1尺寸的天線輻射方向圖Fig.5 The radiation patterns of the proposed antenna with dimensions in Table 1

圖6 天線的增益Fig.6 Gain of the proposed antenna

4 結 論

對一種綜合運用容性饋電貼片、短路面和短路探針的寬帶微帶天線進行了設計和分析。多種技術的應用不但顯著地拓展了天線的帶寬,而且還有效地減小了天線體積。對該天線的性能進行了詳細的分析,其中表面電流的分析與仿真結果相一致,說明容性饋電貼片可對天線整體性能造成影響,而短路探針的位置可對天線的輻射方向進行調節,以達到輻射方向的一致性。該天線的寬帶特性可同時滿足多個通信標準的應用,達到良好的經濟性。

[1] LAU K-L,LUK K-M.A miniature folded shorted patch antenna for dual-band operation[J].IEEE Transactions on Antennas and Propagation,2007,55(8):2391-2398.

[2] HUANG X-D,CHENG C-H.Wideband slot antenna with matching resonators[J].Journal of Electromagnetic Waves and Applications,2010,24(1):133-140.

[3] Mahajan M,Khah S K,Chakarvarty T,et al.Computation of resonant frequency of annular microstrip antenna loaded with multiple shorting posts[J].IEE Transactions on Micro wave,Antenna&Propagation,2008,2(1):1-5.

[4] ZHOU Y,CHEN C C.Dual band proximity-fed patch antenna for tri-band GPS applications[J].IEEE Transactions on Antennas and Propagation,2007,55(1):220-223.

[5] 鐘順時.微帶天線的理論與應用[M].西安:西安電子科技大學出版社,1991:159-163.ZHONG Shun-shi.Theory and application of microstrip antenna[M].Xi′an:Xidian University Press,1991:159-163.(in Chinese)