多頻共面波導饋電平面開式套筒天線研究

陳 瑾 傅 光 吳廣德 楊 林 龔書喜 陳 曦

(1.西安電子科技大學天線與微波技術國家重點實驗室,陜西西安710071;2.中興通訊西安研發中心,陜西 西安710065)

1.引 言

隨著近代無線通信技術的發展,全球定位系統(GPS)以及車載通信系統都迫切地需要支持多頻工作的、近似全向輻射的低剖面天線。微帶線饋電的貼片天線是實際工作中最常見的選擇,然而共面波導饋電的天線具有更多的優點,如低輻射損耗以及更寬的頻帶,有很多關于多頻工作的共面波導饋電印刷天線的研究[1-17],然而這些研究多數是針對超寬帶通信系統中3.1～10.6 GHz頻段的,能夠覆蓋較低頻段的天線很少并且通常具有較大的尺寸。文獻[18]提出了一種用于DTV/GSM的微帶線饋電印刷天線,可以覆蓋3 GHz以下的部分頻帶,但尺寸較大,不夠靈活輕便。

提出了一種同時支持諸多頻帶工作的共面波導饋電開式套筒平面天線。經過仿真和實驗研究,共面波導中心金屬導帶以及接地板均選取為漸變的結構,這樣的結構可以有效地展寬天線帶寬。該天線具有56 mm×36 mm×0.8 mm(僅僅0.336λ×0.216λ×0.005λ,λ為 1.8 GHz所對應的波長)的小尺寸,卻覆蓋了如PCS1900(1.85～1.99GHz),WCDMA(1.92～2.17 GHz),UMTS(1.92～2.17 GHz),WiBro(2.3～2.39 GHz),WLAN(2.4～2.484 GHz),IEEE802.16WiMAX系統(3.3～3.7 GHz)以及IEEE802.11aWLAN系統(5.15～5.825 GHz)等重要的通信頻帶。同時,該天線還擁有類似于偶極子天線的輻射特性,天線的設計及實驗細節在以下部分給出。

2.理論分析

多頻共面波導饋電開式套筒平面天線結構如圖1所示,漸變的共面波導中心導帶與輻射貼片及兩側漸變的接地板都印制在尺寸為L×L×H=56 mm×36 mm×0.8mm,相對介電常數εr=4.4,損耗正切tanδ=0.02的環氧玻璃布基板的同一面。為了利于阻抗匹配,從而更好地獲得寬帶特性,輻射體的下端也采用了漸變結構與CPW的中心導帶連接。套筒結構本身就具有寬帶和激勵多個諧振點的特點,文中提出的開式套筒結構就是很好地利用了套筒結構的這一特性,同時倒L型貼片在某種意義上相當于一個附加的寄生貼片,在天線中采用此結構,可以激勵出更多的諧振點,從而有效地展寬天線的工作帶寬,實現多頻工作的目的。仿真與實驗研究顯示,接地板形狀同樣在很大程度上影響著天線的阻抗帶寬,漸變的接地板結構比普通矩形結構更有利于工作帶寬的展寬,因此,我們最終選擇了具有一定漸變結構的地板,而不是通常選用的矩形地板。漸變結構的采用對天線性能的影響在后面給出了定性的分析討論。

圖1 天線結構示意圖

仿真與實驗研究同時表明：共面波導中心導帶與接地板之間的縫隙寬度對天線帶寬也有一定的影響,因此,我們選擇了漸變結構的地板和共面波導中心導帶。

為了展寬天線帶寬,天線采用了開式套筒結構,而為了激勵起高頻諧振模式,在接地板上引入了一個倒L型寄生貼片。寄生貼片和開式套筒對天線性能的影響在后文給出。圖1中天線尺寸如下：

設計過程中,我們比較關心倒L型寄生貼片及開式套筒結構對天線性能的影響,同時也比較了共面波導中心導帶及接地板形狀對天線的影響。對于上述給定的尺寸,天線其它參數值不變,有無倒L型寄生貼片和開式套筒結構的情況對天線性能的影響如圖2(a)和(b)所示,而共面波導中心金屬導帶形狀及接地板分別選取為以往常用的矩形結構和文中所選取的漸變結構時,天線性能的變化情況如圖2(c)和(d)所示。

由圖2可以看出：倒L型寄生貼片的引入對高、中、低三個頻段的帶寬都產生了很大的影響,三個頻段的帶寬分別被展寬了21.3%,4.6%及14.4%,開式套筒結構的應用使得低頻段和中頻段向高頻移動,漸變的共面波導中心金屬導帶使得天線回波損耗小于-10d B的阻抗帶寬進一步地展寬,而漸變的接地板更是對中間頻段及高頻頻段的性能起到了決定性的作用。

圖2 天線結構對回波損耗的影響

為了進一步分析參數對頻帶的影響,我們對倒L型寄生貼片上臂長度W以及套筒尺寸H1對天線性能的影響進行了討論。當W取16 mm,26 mm和36 mm,天線其他部分尺寸不變時,天線回波損耗曲線如圖3所示。

圖3 天線回波損耗隨W變化曲線

從圖3可以看出,與W取36 mm相比,W取16 mm和26 mm時,對應的工作帶寬明顯變窄。

天線其他部分尺寸保持不變,選取套筒高度H1為10.75 mm,15.75 mm及20.75 mm進行討論,天線回波損耗曲線如圖4所示。由圖4可以看出,H1取10.75 mm,15.75 mm 和20.75 mm時,對第一個諧振點影響較小,對第二和第三個工作頻段的影響非常大,H1取10.75 mm時,第二個諧振點向低頻移動,并且回波損耗小于-10 dB的頻帶變窄,第三個工作頻段也向低頻端移動并且帶寬變為33.6%(H1=15.75 mm時第二個工作頻段帶寬為42.1%)。而H1取20.75 mm時,第二個回波損耗小于-10 dB的頻帶消失,第三個工作頻段帶寬也減小為19.2%,基于對天線工作頻段的考慮,我們選取H1為15.75 mm。

圖4 天線回波損耗隨H 1變化曲線

通過利用電磁仿真軟件對天線參數進行優化,同時考慮到天線制作加工時的實際情況,我們最終選取了上述尺寸。

3.實驗結果分析

在利用仿真電磁軟件Ansoft HFSS對天線進行前期分析計算的基礎上,將天線印制在相對介電常數 εr=4.4,厚度h=0.8 mm,損耗 正切 tanδ=0.02的環氧玻璃布基板上,基板尺寸為L×L×H=56 mm×36 mm×0.8 mm。采用 Wiltron237269A矢量網絡分析儀對天線實物進行回波損耗的測試,圖5給出了對應的測量與仿真結果。由圖5可看出,天線在 1.86～2.49 GHz,3.3～3.7 GHz以及 4.26～6.08 GHz等頻段內回波損耗小于-10 dB,除了個別頻點有很小的差異外,與仿真結果吻合良好。在整個頻帶內,實測結果與仿真結果有些許小差異,這可能是由于測試和仿真環境存在一定差別,以及天線實物存在加工誤差的原因。

為了進一步驗證天線的輻射特性,選取了2 GHz,3.5 GHz,5 GHz以及5.5 GHz這幾個頻點在微波暗室中對天線的方向圖進行了測試。圖6給出了天線在這幾個頻點上的E面和H面歸一化輻射方向圖。由于天線結構的不對稱性,由圖6可以看出,文中的天線在較高的頻點上方向圖發生了畸變,輻射特性與偶極子有了一定的差異。圖7給出了天線在三段工作頻帶中的增益曲線,其中增益的最大值出現在5.5 GHz處。

4.結 論

提出了一種同時支持諸多頻帶工作的共面波導饋電平面開式套筒天線。天線具有56 mm×36 mm×0.8 mm的小尺寸,但可以覆蓋很多重要的通信頻段,在水平面的輻射方向圖與偶極子近似,實測結果和仿真結果吻合良好,證明該天線具有良好的輻射特性及實用性,可以成為現今國內外無線通信的良好選擇。

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