一種小型化寬頻帶天線單元的設計與研究*

林 濱,湯 煒,葛悅禾

(華僑大學信息科學與工程學院,福建廈門361021)

一種小型化寬頻帶天線單元的設計與研究*

林 濱,湯 煒,葛悅禾

(華僑大學信息科學與工程學院,福建廈門361021)

采用十字縫隙耦合、多層積疊貼片和雙層饋電等技術,并選擇雙偏置微帶線作為饋電,設計了一種小型化雙極化寬頻帶微帶縫隙天線。這些技術的采用拓寬了天線帶寬,實現了良好的阻抗匹配。雙層饋電技術減小了天線尺寸,并使天線的兩個端口具有良好的隔離度。通過樣品測量,駐波比小于1.5的端口相對帶寬分別達40%和38.5%,工作頻帶內兩端口隔離度(S21)大于25 dB,增益最大值達9.1 dB。該天線具有良好的性能并且工作于1 710～2 170 MHz頻段,可制作成天線陣應用于移動通信中。

微帶縫隙天線 十字縫隙耦合 多層積疊貼片

0 引 言

微帶天線因具有剖面低、體積小、重量輕,能與有源電路集成,易于批量生產,加工簡便,造價低,便于獲得圓極化、雙極化和雙頻段等多功能工作等優點而深受人們的青睞,但長久以來頻帶窄的缺點限制其在通信領域的發展,為此全世界的學者作了很廣泛的研究。研究表明采用多層貼片結構或者共面配置寄生貼片能夠形成多個諧振回路,具有多個諧振頻率,當這些頻率適當接近時,便形成頻帶大大展寬的諧振電路[1-2]。1985年,Pozar提出口徑耦合饋電[3]不僅能夠增加天線帶寬,同時能夠減小饋電網絡對輻射單元的影響。Targonski和Pozar共同研究出了一種口徑層疊貼片微帶天線[4],它采用了層疊結構和口徑耦合饋電技術得到穩定的阻抗特性,增加了天線帶寬,VSWR＜2的頻段達到69%。但由于口徑存在背向輻射,故這種天線的前后比會比較差。在原有模型基礎上,相繼提出了多種改善天線背向輻射的天線[5-8]。

雙極化天線能發射或接收兩個正交極化的電磁波,因此在同一帶寬內,天線可以發射兩種信號,這有利于頻率復用或者收發同時工作。在地面通信中實施極化分集,抗多徑衰落;在衛星通信中實現收發極化隔離;實現地面/衛星通信雙模工作,用于衛星通信與全球定位系統共用天線等。與單極化天線相比較,雙極化天線不僅要考慮天線阻抗帶寬,還必須具有良好的端口隔離度,盡可能減小兩個端口之間信號串擾。文獻[9]提出一種工作于X波段的雙極化天線,其VSWR＜2的相對帶寬達42%,隔離度大于20 dB。在移動通信中,多采用的是極化分集天線(±45°正交極化)。

文中設計了一種適用于基站的雙極化小型微帶天線單元,其結構簡單,易于加工。它利用雙層貼片和十字形縫隙耦合饋電方式實現天線的寬頻帶工作和天線的小型化,并且使用雙偏置微帶線使兩饋電端口達到高隔離度特性。天線底部的反射板起到減小背向輻射和提高增益的作用。利用電磁仿真軟件HFSS13.0進行仿真優化并制作出實物進行實測。實測結果與仿真結果比較接近。

1 天線的結構設計

文中設計的天線可分為饋源端、引向端和反射端三個部分。其具體尺寸結構示意圖如圖1所示(單位為mm)。天線的饋源由兩層介質基片、接地板和饋電網絡組成。上層基片上端覆蓋著刻有十字形縫隙的接地板,上下層基片之間是端口1的饋電網絡,下層基片下端則是端口2的饋電網絡。縫隙的長度和寬度在保證天線帶寬和滿足阻抗匹配的情況下越小越好,這樣可以減小由縫隙引起的背向輻射。為了使天線實現±45°正交極化,兩層饋線方向與接地板的對角線分別平行,而十字形縫隙處于接地板中心,四臂與接地板對角線方向一致。引向端是兩層圓形輻射貼片,為了增加帶寬,貼片與貼片之間,貼片與接地板之間均不采用任何介質。反射端為與接地板尺寸相同的鋁型材反射板,位于饋源下側距饋源h1處。

圖1 微帶天線幾何結構Fig.1 Geometric structure of the microstrip antenna(Unit:mm)

為提高天線的阻抗帶寬,天線采用雙層寄生貼片結構和雙偏置微帶線饋電,同時這種饋電結構又能實現兩個饋電端口的高隔離度并提高阻抗匹配。饋電網絡通過接地板上的十字形縫隙與寄生貼片耦合,向外輻射能量。微帶貼片天線下層的反射板可以提高天線的增益,減小天線的背向輻射。為提高縫隙耦合度,饋電層應采用介電常數較高的基片,結合成本因素,文中設計天線選擇的是Taconic RF-35 (tm)基片,其介電常數為3.5。

兩層基片厚度分別為t1、t2,接地板與下層貼片的距離為t3,上下層貼片的距離為t4。饋電網絡由兩條100 Ω的微帶線通過簡單的功分器與50 Ω的微帶線連接構成。

2 理論分析

天線的性能與自由空間的工作波長有著密切的關系,因此從理論上講,天線的工作頻率越低,波長越長,天線尺寸也必須相應地增加。從這種意義上理解,要求低頻天線的小型化是難以實現的。雖然微帶天線體積小重量輕,但在較低頻段(VHF/ UHF),傳統的半波長微帶天線尺寸仍然太大。

文中設計的天線為雙極化天線(±45°正交極化),其工作頻段位于1 710～2 170 MHz。采用微帶線作為饋線,兩端口的饋電網絡處于不同的饋電層,并通過同一十字形縫隙與貼片層耦合,向外輻射能量。這種設計可減小天線的尺寸,同時多層貼片結構及反射板的應用也避免天線出現高剖面弊端,可在不影響天線大體性能的前提下實現天線的小型化。

文中設計的天線的饋線采用叉子(Fork)形的雙偏置微帶線,如圖1(b)所示,微帶線兩臂與接地板上的縫隙耦合,可以看作兩個對稱的不平衡天線振子。由于不平衡振子兩條振子臂的電流分布不平衡,形成不對稱電流分布,電流I可以分解為偶模(Io)和奇模(Ie)分量,如圖2所示,電流的不同分量形成不同諧振,通過調整天線的尺寸,使兩個諧振頻率適當接近,進而展寬天線的頻帶。天線的輻射機理類似于八木天線,饋源端相當于引向天線的有源振子,引向端類似于引向天線的引向振子,反射板則可以看作反射振子。天線通過反射板和引向作用的輻射片向外輻射能量。調整輻射貼片單元能夠調節天線的電壓駐波比,使天線達到一定的帶寬。這里采用雙層饋電在一定程度上提高了天線帶寬,并且由于貼片的引向作用,天線的增益也會有所增加。

圖2 不對稱振子輻射原理Fig.2 Radiation principle of asymmetry dipole

由于縫隙上不同位置其阻抗不同,可選擇縫隙上100 Ω位置處輸入激勵,可使100 Ω饋線并聯后與50 Ω主饋線匹配,此饋電方式有利于寬帶工作,還可使輻射場對稱性更好。此外由于天線采用雙層饋電結構,若饋線采用矩形微帶線,兩條不同饋電層的饋線在水平面的投影呈交叉狀,饋電網絡之間必然相互影響,其隔離度不高[10]。采用叉子狀的雙偏置微帶線饋電能夠提高兩個端口的隔離度,減小交叉極化,提高天線的性能。

圖3 八木天線Fig.3 Yagi antenna

3 仿真與實測結果

文中利用HFSS對所設計的天線進行仿真與優化,所得優化后的天線尺寸如下:

天線面積為:80 mm×80 mm,t1=0.762 mm,t2= 1.524 mm,t3=8 mm,t4=12 mm,h1=13 mm,R1= 30.5 mm,R2=34 mm;

端口1:L=12 mm,Lf=38 mm,W=1.72 mm,Wf=0.45,2d=25 mm;

端口2:L=14 mm,Lf=40.5 mm,W=5.52 mm,Wf=1.25,2d=16 mm;

十字形縫隙:Ws=1.8 mm,Ls=23.5 mm。

天線電壓駐波比的仿真結果與實測結果如圖4所示,實測的天線駐波比在高頻段與仿真結果基本一致,在低頻段實測結果要優于仿真結果。仿真結果表明,天線端口1的VSWR＜1.5阻抗帶寬為1.64～2.27 GHz,相對帶寬為32.2%,天線端口2的VSWR＜1.5阻抗帶寬為1.62～2.28 GHz,相對帶寬為33.8%。天線實測結果顯示,天線端口1的VSWR＜1.5阻抗帶寬為1.5～2.26 GHz,相對帶寬為40%,端口2的VSWR＜1.5阻抗帶寬為1.55～2.29 GHz,相對帶寬為38.5%。天線兩個端口的駐波比存在一定的差別主要是由于雙層饋電造成的。雙層饋電導致饋電點不同,饋電網絡與縫隙之間的耦合度也不同,致使不同端口的兩個諧振頻率和頻帶出現細微的差別。

圖4 天線電壓駐波比Fig.4 VSWR of the antenna

天線隔離度的仿真值和實測值如圖5所示,由于天線良好的對稱性以及雙偏置饋電結構的應用,保證了天線隔離度。實測結果相比于仿真結果要稍差一些。但天線頻帶內天線的隔離度大于25 dB,仍明顯優于文獻[9]中20 dB的數據。

圖5 天線隔離度Fig.5 Isolation of the antenna

圖6、圖7分別為1.95 GHz工作頻率時端口1的E面和H面極化方向圖,E面交叉極化電平為-25 dB,H面交叉極化電平為-24 dB。圖8、圖9分別為1.95 GHz工作頻率時端口2的E面和H面極化方向圖,E面交叉極化電平為-25 dB,H面交叉極化電平為-25 dB?？梢?天線交叉極化電平均低于-24 dB。天線的增益值大于9 dB,交叉極化比大于33 dB。

圖6 端口1的E面極化方向圖(1.95 GHz)Fig.6 E plane radiation pattern of port1(1.95 GHz)

圖7 端口1的H面極化方向圖(1.95 GHz)Fig.7 H plane radiation pattern of port1(1.95 GHz)

圖8 端口2的E面極化方向圖(1.95 GHz)Fig.8 E plane radiation pattern of port2(1.95 GHz)

圖9 端口2的H面極化方向圖(1.95 GHz)Fig.9 H plane radiation pattern of port2(1.95 GHz)

本設計實物照如圖10所示,從仿真與實測結果可以看出,天線具有良好的電壓駐波比和隔離度。天線工作頻率為1.95 GHz時增益為9 dB,前后比大于23 dB,軸向交叉極化比大于35 dB,±60°交叉極化比大于30 dB。其性能滿足一般基站天線的要求。

圖10 天線實物Fig.10 Picture of the produced antenna

4 結 語

文中設計了一種應用于基站的天線單元,通過采用層疊貼片結構和縫隙耦合饋電達到展寬帶寬的目的,天線兩端口的阻抗帶寬分別達到40%和38.5%,同時實現兩個端口的高隔離度。天線兩個端口交叉極化電平比較低,原因要歸結于良好的饋線匹配。通過仿真可以看出天線的增益為9 dB,并且天線的前后比達到23 dB,反射板的增加有效的減小了天線的背向輻射,提高了天線增益。該單元天線具有相對較小的面積和高度,非常適合制作移動通信中常用的天線陣。

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LIN Bin(1988-),male,graduate student, laboratory technician,majoring in microstrip antenna and wideband antenna.

湯 煒(1974-),男,博士,副教授,主要研究方向為電磁場與微波技術、天線理論研究;

TANG Wei(1974-),male,Ph.D.,associate professor, majoring in electromagnetic field and microwave technology, studying of antenna theory.

葛悅禾(1965-),男,博士,教授,主要研究方向為天線和電磁場數值計算的研究。

GE Yue-he(1965-),male,Ph.D.,professor,mainly working at the antenna and numerical calculation of electromagnetic fields.

Research and Design of a Novel Miniaturized Broadband Microstrip Antenna Unit

LIN Bin,TANG Wei,GE Yue-he
(College of Information Science and Engineering,Huaqiao University,Xiamen Fujian 361021,China)

A miniaturized dual polarization and wideband microstrip antenna with technologies of cross slot coupling,stacked patches and two layers feeds is designed in this paper.The feed line,dual offset microstrip line,and other technologies above can not only extend the bandwidth of the antenna,but also improve the stability of the input impedance.The dual layers feeds could decrease the size of the antenna and achieve a good isolation.The simulation and measurement results demonstrate that the two ports bandwidths that the VSWR is below 1.5 are 40%and 38.5%,respectively.Meanwhile the isolation between two ports in their bandwidths is more than 25 dB and the gain of the antenna will obtain the maximum value about 9.1 dB.The operating frequency of the antenna is from 1 710 MHz to 2 170 MHz and due to the perfect performance,small size and low profile height of the antenna,it could be made out to antenna array for mobile communication.

microstrip slot antenna;cross slot coupling;stacked patches

TN822+.8;TN828.6

A

1002-0802(2014)05-0575-05

10.3969/j.issn.1002-0802.2014.05.024

林 濱(1988-),男,碩士研究生,實驗員,主要研究方向為微帶天線、寬頻帶天線的研究;

福建省自然科學基金(No.2012J01276)

Foundation Item:Natural Science Foundation of Fujian Province(No.2012J01276)