小型化雙頻微帶天線設(shè)計*

呂明明，尹衍莊，馬 龍，孫緒保

（山東科技大學(xué) 電子通信與物理學(xué)院，山東 青島 266590）

0 引 言

微帶天線的質(zhì)量較輕、體積較小，能夠更加方便地獲得圓極化，實現(xiàn)雙頻工作功能，所以被廣泛應(yīng)用于無線通信系統(tǒng)[1]。如今，無線通信技術(shù)向著高速、寬帶以及大容量的趨勢迅速發(fā)展，所以提高系統(tǒng)的通信容量已成為關(guān)鍵。提高系統(tǒng)通信容量的方法之一，是設(shè)計可以兼容現(xiàn)有的多個頻段資源的多頻通信系統(tǒng)[2]。因此，在多頻通信系統(tǒng)中，天線的雙頻或多頻工作特性成為眾多學(xué)者的研究方向。各種文獻(xiàn)中也提到了許多使天線獲得多頻工作特性的方法。文獻(xiàn)[3]提出了一種可以應(yīng)用在WLAN系統(tǒng)中的雙頻段貼片天線，通過在貼片上開一個矩形切口，使天線能夠工作在2.45 GHz和4.96 GHz兩個頻段上。文獻(xiàn)[4]提出了一種雙頻段PIFA天線，采用同軸探針饋電，在輻射貼片上開三條縫隙改變貼片上原來的電流流向，實現(xiàn)天線的雙頻段工作，且天線中連接輻射貼片和接地板的短路金屬片能夠增大天線的帶寬[5]，但是這種天線結(jié)構(gòu)尺寸較大，達(dá)不到如今天線小型化的需求。文獻(xiàn)[6]設(shè)計了一種雙頻段貼片天線，在貼片上加載了一個成十字形狀的槽，減小了天線諧振頻率，增加了天線帶寬，加載兩個短路針用于天線的小型化和雙頻特性。文獻(xiàn)[7]提出了一種雙頻段MIMO諧振器天線。

本文提出的天線是對普通的微帶天線的改進(jìn)，通過在貼片上開一個開口向上的缺口，使貼片形成“凹”字形狀，從而在缺口和主貼片之間產(chǎn)生相互作用，使天線能夠工作在3.8 GHz和4.5 GHz兩個頻段上，S11達(dá)到了-35 dB和-42 dB，兩個頻段的帶寬分別為180 MHz（3.72～3.9 GHz）、170 MHz（4.45～4.62 GHz），同時在饋電探針附近加載短路探針使天線獲得了小型化的優(yōu)點。

1 天線設(shè)計

文章設(shè)計了一種小型化的雙頻段微帶天線，饋電方式采用同軸線饋電，介質(zhì)基板的材質(zhì)為環(huán)氧樹脂玻璃纖維板（FR4），尺寸大小為30 mm×22 mm×4 mm，介質(zhì)基板上表面為矩形貼片，下表面為接地平面，通過在貼片上開一個開口向上的矩形缺口改變原來貼片上的電流路徑。電流通過同軸探針到達(dá)貼片的頂部和底部邊緣。由于切口的加載使電流路徑的長度增加，切口和主貼片之間形成了強(qiáng)烈的相互作用，使天線能夠工作在兩個頻段。通過加載一個短路探針的方式，減小了天線貼片的尺寸[8]。HFSS仿真加載探針之后貼片的尺寸，發(fā)現(xiàn)減小了12.3%。

介質(zhì)基板上貼片的初始長、寬分別為：

其中：

f為中心諧振頻率，c為光速，εe為有效介電常數(shù)。在不加載短路探針的情況下，經(jīng)過公式計算得出天線貼片的初始長度為19.26 mm，寬度為26.05 mm。采用同軸線饋電，同軸線的外圈和接地平面相連，內(nèi)芯部分穿過介質(zhì)基板與貼片相連，饋電點的位置坐標(biāo)(Xf,Yf

)影響天線的阻抗匹配。在貼片上加載一個開口向上的矩形切口后，切口的長度和寬度對天線的諧振頻率有顯著影響，可改變切口的長和寬獲得需要的工作頻率。為了縮小天線貼片的尺寸，在饋電點附近加一個短路探針，探針的半徑為r1，位置坐標(biāo)為(Px,Py)。加入短路探針后，在貼片面積減小的同時，也增大了天線的兩個中心工作頻率。

天線的結(jié)構(gòu)圖，如圖1所示。通過HFSS仿真軟件對天線的尺寸進(jìn)行分析得到，H=4 mm，Ls=30 mm，Ws=22 mm，Lp=27.4 mm，Wp=18.4 mm，L1=12.5 mm，W1=11mm，同軸探針的位置坐標(biāo)(Xf,Yf)為（14 mm，9 mm），短路探針的位置坐標(biāo)(Px,Py)為（14 mm，18 mm）。優(yōu)化后的天線可以工作在3.8 GHz和4.5 GHz兩個頻段上，S11參數(shù)分別為-34 dB和-38 dB，兩個頻段的輸入阻抗分別為（51-j1） Ω和（50+j1） Ω，說明優(yōu)化后的天線阻抗匹配良好。

圖1 天線結(jié)構(gòu)圖

2 仿真結(jié)果與分析

天線未加載短路探針和加載短路探針的S11曲線圖，如圖2所示。從圖2能夠得到，加載短路探針后，天線的中心工作頻率提高了，低頻頻率由3.4 GHz提高到了3.8 GHz，高頻頻率由4.2 GHz提高到了4.5 GHz，但是天線的S11參數(shù)值并沒有受到較大影響。加載短路探針前后，天線的S11值都在-30 dB以下，說明天線的阻抗匹配良好。未加載短路探針之前，輻射貼片的尺寸為27.4 mm×18.4 mm；加載短路探針后，輻射貼片的尺寸為26 mm×17 mm。可見，輻射貼片的面積減小了12.3%。

圖2 有無短路探針天線的S11曲線

該天線中短路探針的位置(Px, Py)對天線的性能也有顯著影響。固定X軸的坐標(biāo)Px=14 mm不變，研究Y軸坐標(biāo)的改變對天線性能的影響。經(jīng)HFSS仿真分析得到短路探針的Y軸坐標(biāo)在不同位置下的S11的曲線圖，如圖3所示。從S11曲線圖可以看出，改變短路探針Y軸坐標(biāo)的位置對天線在4.5 GHz頻率下的S11不會有太大變化，但是對3.8 GHz頻率下的S11有較大影響。當(dāng)Py=18 mm時，天線在低頻3.8 GHz和高頻4.5 GHz的S11分別為-35 dB、-42 dB，說明天線的阻抗匹配良好。

圖3 短路探針在不同位置下的S11曲線

天線的輻射方向圖如圖4所示（實線代表xoz面，虛線代表yoz面）。

圖4 天線的輻射方向圖

其中，圖4（a）為3.8 GHz頻率下的天線輻射方向圖，圖4（b）為4.5 GHz頻率下的天線輻射方向圖。由輻射方向圖能夠得到低頻3.5 GHz頻率下天線增益的最大值為3.71 dB，高頻4.5 GHz頻率下天線增益的最大值達(dá)到了3.79 dB。

3 結(jié) 語

文章設(shè)計了一種加載短路探針的小型化雙頻微帶天線，在矩形貼片上開一個開口向上的矩形切口，在同軸探針附近加載一個短路探針使天線能夠同時工作在3.8 GHz和4.5 GHz兩個頻段上。天線在兩個頻段的S11分別為-35 dB和-42 dB，天線阻抗匹配良好，且在兩個頻段上天線均具有良好的增益，如在低頻3.8GHz時的最大增益為3.71 dB，高頻4.5 GHz時的最大增益為3.79 dB。此外，設(shè)計的天線加入了短路探針，使天線貼片的面積減小了12.3%。

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