一種新型雙頻全向基片集成波導螺旋縫隙天線*

譚立容,楊梓藝,聶佰玲,張照鋒,朱昱穎

(南京信息職業技術學院,南京 210023)

一種新型雙頻全向基片集成波導螺旋縫隙天線*

譚立容,楊梓藝,聶佰玲,張照鋒,朱昱穎

(南京信息職業技術學院,南京 210023)

為了實現雙頻帶全向天線,將基片集成波導SIW技術和平面螺旋天線技術結合,實現了一種新型雙頻基片集成波導螺旋縫隙天線。比較了當其他條件一樣時有SIW結構和沒采用該結構時的天線增益:在低頻段1.7 GHz～1.87 GHz增益基本一樣,在高頻段2.4 GHz～2.9 GHz有SIW結構時增益提高了1.1 dB～3.5 dB。仿真和測試結果表明,經優化設計后的天線在S11小于-10 dB時的工作頻帶為1.705 GHz～1.865 GHz和2.321 GHz～2.646 GHz。該天線在垂直于天線基板的平面內具有全向特性,具有重量輕、低剖面、高增益、易于和平面電路集成等優點。

全向天線;基片集成波導;平面螺旋天線;雙頻段

隨著不同標準、不同頻段的無線通信系統陸續被人們使用,人們周圍往往是多種無線通信系統共存,例如,在移動通信和無線局域網絡同時覆蓋區域存在2G3G4GWIFI等不同標準的信號,常常需要雙頻或多頻全向天線來接收來自各個方向的信號。

目前,國內外不少專家學者研究了各種各樣的雙頻和多頻天線,來滿足不同的通信需要。韓國瑞[1]等人通過控制MEMS開關來改變縫隙的尺寸,從而改變電流分布,實現了雙頻微帶縫隙天線,但該天線實現的是2.4 GHz和5.8 GHz的快速切換,不是共存的雙頻段;Dian Wang[2]等人通過將微帶貼片天線和單極子天線巧妙地集成在一起實現了能覆蓋WiFi(2.4/5.2/5.8 GHz)和WiGig(57 GHz～64 GHz)通信的雙頻段天線;發明專利[3]“一種CPW饋電雙頻微帶天線”采用將兩個倒Л型槽以及共面集成波導饋線設置在介質基板的上表面,實現了可覆蓋WLAN與WIMAX所有工作頻段,但天線不能在所有工作頻段實現全向輻射,并且增益低;發明專利[4]“低剖面雙頻帶全向天線”采用在帶接地板介質基板的另一側印刷輻射金屬貼片和圍繞在輻射金屬貼片周圍的多個蘑菇型諧振單元結構,實現了有類似單極子天線的輻射方向圖的兩頻天線,可以工作在3.995 GHz～4.025 GHz和4.94 GHz～6.06 GHz頻段上,還不能滿足接收1.8 GHz、2.4 GHz等不同標準的2G3G4GWIFI信號的需要;發明專利[5]“雙頻WIFI全向天線”采用兩個低頻輻射臂和兩個高頻輻射臂對稱設置于所述平衡微帶線的兩側,實現了能同時工作在2.4 GHz～2.5 GHz及5.15 GHz～5.85 GHz的全向天線,還不能同時接收移動通信信號和無線局域網信號。

綜上所述,目前同時接收移動通信信號和無線局域網信號的雙頻帶全向天線較少,對兼容多標準、多頻段的天線需求顯得愈發迫切。

針對目前雙頻天線研究中的問題,提出了一個新的雙頻天線結構,它使用了雙層基板結構,將基片集成波導技術和平面螺旋天線技術結合來使天線具有全向、雙頻帶和高增益等特性。對該天線的實際測量表明,仿真結果和實驗結果基本一致,具有較好工作性能。

圖1 天線結構示意圖

1 新型雙頻天線結構設計與性能

基片集成波導結構和平面螺旋結構在天線研究領域中分別都有廣泛的應用。基片集成波導結構[6]由低損耗介質基片中的金屬化通孔陣列和基片的上下金屬層構成,金屬化通孔的直徑d和相鄰金屬化通孔的間距p需滿足d/p≥0.5且d<0.2λg。基片集成波導天線[7-8]能克服傳統的金屬波導縫隙天線重量重、造價昂貴、體積大的缺點,同時具有傳統金屬波導縫隙天線高增益、高輻射效率的優點。平面螺旋結構[9]主要由兩個平面螺旋臂構成,可以用來實現寬頻帶天線或多頻段天線[10]。

本設計中將這兩種結構結合,采用如圖所示依次層疊設置的雙層基板結構:天線上層基板的上表面1設有饋電微帶線,天線上層基板的下表面2為蝕刻有圓形縫隙的金屬層;天線下層為在下層基板四周有金屬化通孔陣列的基片集成波導腔體,天線下層基板的上表面3為蝕刻有圓形縫隙的金屬層,天線下層基板的下表面4為蝕刻有平面螺旋縫隙的金屬層。

天線上層基板的上表面設有的微帶線為天線饋電、提供匹配阻抗;圓形縫隙將能量從上層的微帶線耦合到下層;平面螺旋縫隙起對外輻射電磁波作用,并利用平面螺旋縫隙有效輻射帶可以隨頻率變化而改變這一特性從而實現雙頻帶天線;下層基板上通過四周金屬化通孔陣列形成的基片集成波導腔體增強天線增益。

應用仿真軟件HFSS對該雙頻天線進行優化設計,確定了該天線的最終尺寸。當天線上層基板采用厚度為2.0 mm的寬介電常數聚四氟乙烯玻璃布覆銅基板,天線下層基板采用厚度為0.5 mm的寬介電常數聚四氟乙烯玻璃布覆銅基板(這兩層基板的相對介電常數εr都為2.2,損耗角正切tanδ為0.001),天線尺寸為:天線上層基板的總長度L1和總寬度W1分別為78 mm和78 mm,天線下層基板的總長度和總寬度W1分別為73 mm和78 mm;微帶線的寬度W2和長度分別為3.3 mm和43.3 mm;金屬通孔的每個通孔的直徑為3 mm,相鄰兩個通孔中心的間距為5.4 mm;圓形縫隙的半徑等于22 mm;平面螺旋縫隙最外緣的半徑R0等于26.67 mm。

圖2

圖2(a)給出了該天線的增益隨頻率變化仿真曲線圖,如圖2(a)所示可見采用基片集成波導結構時天線的最大增益在觀察的頻率范圍內可以達到5.5 dBi。同時,將該天線下層基板所有金屬化通孔陣列(即,基片集成波導結構)去掉、讓其他尺寸不變時,得到無基片集成波導結構(如圖2(b))時的天線增益隨頻率變化曲線,對比這兩個曲線,可見采用通過四周有金屬化通孔陣列形成的基片集成波導腔體能增強天線增益(尤其在更高的頻段),提高了天線的輻射性能。

2 天線的制備與性能測試

基于上述優化設計的天線尺寸,我們在聚四氟乙烯玻璃布覆銅基板上實際制備了該雙頻全向基片集成波導螺旋縫隙天線,圖3給出了該雙頻天線實物的正面和反面。雙頻天線的尺寸大小為78 mm×78 mm。

圖3 實際制備的天線照片

圖4 天線S11隨頻率變化特性

為了證明制備的天線具有雙頻段的特性,我們采用矢量網絡分析儀PNA8363測量了天線的S11參數。如圖4所示,對比了該雙頻全向基片集成波導螺旋縫隙天線的反射系數S11隨頻率變化的仿真曲線和測量曲線,證明當對應的S11小于-10 dB時,該雙頻段縫隙天線能同時工作在1.705 GHz～1.865 GHz頻段(可以用來接收或發射工作頻率處于該頻段的常見移動通信信號,如中國電信的FDD-LTE信號、中國移動的GSM1800信號、中國聯通的GSM1800信號等)和2.321 GHz～2.646 GHz頻段(頻率處于該頻段的常見通信信號有WIFI無線局域網信號、WiMAX無線局域網信號、中國電信/移動/聯通的4G信號等)。

圖5給出了該雙頻全向基片集成波導螺旋縫隙天線在垂直面(垂直于天線的平面)和水平面輻射方向圖,天線在低頻段諧振點在天線垂直面具有全向輻射特性(諧振點頻率為1.84 GHz,測得對應的增益為4.11 dBi),在高頻段諧振點在天線垂直面同樣具有全向輻射特性(諧振點頻率為2.45 GHz,測得對應增益為5.01 dBi)。其輻射特性能滿足從四周接收雙頻段移動通信和WIFI信號的需求,適合應用需要。

圖5 天線的輻射方向圖

在表1中將我們設計的天線和目前國內外雙頻天線進行了比較,可以看到我們提出的雙頻天線其綜合性能優于大多數同類雙頻天線。和大多數現有雙頻天線相比,它在兩個工作頻段皆具有增益高、全向輻射的特性,同時結構簡單、制作方便。

表1 雙頻天線比較

3 結論

設計并實現了一種新型雙頻全向天線。區別于現有常用的微帶天線和單極子天線技術,該雙頻天線由基片集成波導結構和平面螺旋結構結合而成,通過采用基片集成波導技術提高了天線增益,能同時接收1.8 GHz、2.4 GHz等不同標準的移動通信信號和無線局域網信號,在垂直于天線基板的平面內天線全向性好。

[1] 韓國瑞,白霞,韓麗萍,等. 基于MEMS開關雙頻微帶縫隙天線的設計[J]. 測試技術學報,2016(1):6-9.

[2] Wang D,Chan C H. Multiband Antenna for WiFi and WiGig Communications[J]. IEEE Antennas and Wireless Propagation Letters,2016,15:309-312.

[3] 黃姍姍,沈義進,李駿,等. 一種CPW饋電雙頻微帶天線[P]. 江蘇:CN105490012A,2016-04-13.

[4] 代喜望,羅國清,袁博,等. 低剖面雙頻帶全向天線[P]. 浙江:CN105514612A,2016-04-20.

[5] 譚杰洪,陳重. 雙頻WIFI全向天線[P]. 廣東:CN104795630A,2015-07-22.

[6] Bozzi M,Georgiadis A,Wu K. Review of Substrate-Integrated Waveguide Circuits and Antennas[J]. Microwaves,Antennas and Propagation,IET,2011,5(8):909-920.

[7] Cai Y,Qian Z,Zhang Y S,et al. A Compact Wideband SIW-Fed Dielectric Antenna with End-Fire Radiation Pattern[J]. IEEE Transactions on Antennas and Propagation,2016,64(4):1502-1507.

[8] 譚立容,倪瑛,張照鋒,等. 基于半模基片集成波導的雙頻段縫隙天線[J]. 電子器件,2014,37(1):5-8.

[9] Shih T,Behdad N. A Compact,Broadband Spiral Antenna with Unidirectional Circularly Polarized Radiation Patterns[J]. IEEE Transactions on Antennas and Propagation,2015,63(6):2776-2781.

[10] 朱珊虹,董衛鵬,張琳江. 一種寬帶螺旋天線的設計[J]. 電子器件,2015,39(4):742-745.

[11] Buckley J L,McCarthy K G,Loizou L,et al. A Dual-ISM-Band Antenna of Small Size Using a Spiral Structure with Parasitic Element[J]. IEEE Antennas and Wireless Propagation Letters,2016,15:630-633.

[12] Zhu X,Guo Y,Wu W. A Compact Dual-Band Antenna for Wireless Body-Area Network Applications[J]. IEEE Antennas and Wireless Propagation Letters,2016,15:98-101.

[13] Cao W Q,Zhang B N,Liu A J,et al. A Dual-Band Microstrip Antenna with Omnidirectional Circularly Polarized and Unidirectional Linearly Polarized Characteristics Based on Metamaterial Structure[J]. Journal of Electromagnetic Waves and Applications,2012,26(2):274-283.

ANovelDualBandOmnidirectionalSubstrateIntegratedWaveguideSpiralSlotAntenna*

TANLirong,YANGZiyi,NIEBailing,ZHANGZhaofeng,ZHUYuying

(Nanjing College of Information Technology,Nanjing 210023,China)

In order to realize a dual band omnidirectional antenna,a novel dual band substrate integrated waveguide spiral slot antenna is realized by combining of the SIW(Substrate Integrated Waveguide)technology and the planar spiral antenna technology. The gains of the antennas with SIW structure and with no SIW structure are compared under the other same conditions. Their gains are almost same at low frequency band(1.7 GHz～1.87 GHz)and the gain of the antenna with SIW structure is improved by 1.1 dB～3.5 dB at high frequency band(2.4 GHz～2.9 GHz). The results of simulation and test show that the working frequency bands of the antenna are 1.705 GHz～1.865 GHz band and 2.321 GHz～2.646 GHz(S11<-10 dB). The antenna has omnidirectional radiation characteristics in the vertical plane of the antenna substrate,and have the advantages of light weight,low profile,high gain,easy of planar circuit integration.

omnidirectional antenna;substrate integrated waveguide;planar spiral antenna;dual band

10.3969/j.issn.1005-9490.2017.05.008

2016-08-02修改日期2016-09-05

項目來源:南京信息職業技術學院工程研發中心開放基金項目(KF20160103,KF20150102);2016年江蘇省高校青藍工程項目;2016年江蘇省高等學校大學生創新創業訓練計劃項目(201613112011Y);2014年度江蘇省高校優秀中青年教師和校長赴境外研修項目;江蘇高校品牌專業建設工程項目(PPZY2015C242);2015年度江蘇省信息產業升級項目

TN820.11

A

1005-9490(2017)05-1088-04

譚立容(1977-),女,貴州人,南京大學博士,南京信息職業技術學院副教授和高級工程師。主要研究領域為微波器件及天線的設計研究,tanlirong77@163.com;

楊梓藝(1995-),女,四川人,南京信息職業技術學院學生,主要研究領域為微波器件及天線;

聶佰玲(1975-),女,碩士,吉林人,南京信息職業技術學院講師,主要研究領域為無線通信技術;

張照鋒(1974-),男,河南人,南京信息職業技術學院副教授,主要研究領域為微波技術;

朱昱穎(1994-),女,江蘇人,南京信息職業技術學院學生,主要研究領域為微波器件及天線。