用于ISM頻段的雙頻單極子天線

2019-07-18 03:08:00張文梅韓麗萍

測試技術學報 2019年4期

王玲，張文梅，韓麗萍

(山西大學物理電子工程學院，山西太原 030006)

0 引言

隨著無線通信技術的迅猛發展，人們對通信需求的多樣化造成了多種通信技術和多種標準共存的現象，使無線通信系統對雙頻或多頻帶天線的需求日益增加.雙頻單極子天線可以增加信道數量，緩解無線通信頻譜資源的緊張狀況，并且具有成本低、體積小、易于制造等特點，受到了許多研究者的廣泛關注.

目前，天線實現雙頻的方式有：縫隙技術[1]、多枝節技術[2]和耦合技術[3]等.文獻[1]提出了一個倒錐形平面單極子天線，通過在輻射貼片刻蝕3對相互對稱的縫隙，改變輻射貼片表面的電流分布，實現了雙頻帶特性；文獻[4]通過引入圓形槽使多邊形貼片天線工作在GSM雙頻段；文獻[5] 通過在圓形貼片挖兩個弧形槽，使天線實現雙頻工作；文獻[2]通過在三角形輻射單元上附加U型枝節，使天線產生兩條電流路徑，從而實現雙頻特性；文獻[6]通過在矩形環輻射單元上加載叉形條帶來獲得雙頻特性；文獻[7]通過在折疊輻射貼片上加載L型枝節，使天線覆蓋了5G和Wi-Fi兩個工作頻段；文獻[3]通過在矩形輻射單元的背面加載梯形導體平面，形成輻射貼片和寄生單元之間的相互耦合，使天線產生了新的諧振頻率；文獻[8]在天線的接地板引入U型寄生單元使天線產生雙頻特性；文獻[9]通過在接地板加載T型寄生單元使天線在MedRadio頻段引入了新的諧振，并且通過加載F型寄生單元在ISM頻段引入額外的諧振，從而擴展了高頻處的帶寬；此外，Wen-Shan Che等人通過在寬帶天線中引入陷波結構來實現雙頻[10].

本文設計了一種用于ISM頻段的雙頻單極子天線.該天線采用共面波導的饋電方式，通過在輻射貼片和饋線上分別刻蝕U型和S型縫隙產生寬阻帶，使天線產生雙頻特性.天線可以工作在2.45/5.8 GHz ISM的兩個頻段內，且具有良好的輻射特性.

1 天線設計

天線的結構如圖1 所示.

圖1 天線結構示意圖Fig.1 Configuration of the antenna

天線采用共面波導(CPW)的饋電方式，鏟形輻射單元，接地板和饋線都印刷在介質基板的同一側.輻射單元的基本結構由半圓形和矩形金屬貼片組成.通過在輻射貼片和饋線上分別刻蝕一個U型和S型縫隙，天線在2.7～5.19 GHz產生一個寬阻帶，從而實現雙頻帶特性.其中，U型和S型縫隙的長度分別對應于陷波中心頻率的1/2波導波長.設計的天線工作頻率為2.45 GHz和 5.8 GHz，利用三維電磁仿真軟件HFSS進行仿真.選用相對介電常數為4.4，厚度為1.6 mm的FR4介質基板，天線各部分尺寸如表1 所示.

表1 天線結構參數Tab.1 Parameters of antenna structure

圖2(a)給出了雙頻天線的設計流程，其中天線 Ⅰ 為普通鏟形單極子天線；天線 Ⅱ 是加載有U型縫隙的鏟形單極子天線；天線 Ⅲ 為本文提出的雙頻天線.圖2(b)為不同天線結構的反射系數曲線.由圖2 可見，天線 Ⅰ 的阻抗帶寬為2.45～6.5 GHz；加載U型縫隙的天線 Ⅱ 在3 GHz產生一個陷波，天線工作在2.5 GHz和5 GHz兩個頻段，但是高頻段包含WiMAX波段的頻率范圍；天線 Ⅲ 通過在饋線上增加一個S型縫隙，5 GHz處引入的陷波與 3 GHz 的陷波產生一個寬阻帶，天線實現了良好的雙頻特性，覆蓋了2.420～2.483 5 GHz 以及 5.725～5.875 GHz兩個ISM波段.

圖2 天線設計流程及S參數Fig.2 Design evolution of antenna and simulated S-parameters

為了進一步說明天線的工作原理，圖3 給出了雙頻天線的表面電流分布情況.從圖3(a)和圖3(d)中可以看出，在通帶 2.45 GHz 和 5.8 GHz 處，電流主要集中在饋線和輻射單元邊緣，能量通過鏟形輻射單元進行輻射；從圖3(b)和3(c)觀察到，在陷波頻率3 GHz和5 GHz處，電流主要集中在U型和S型縫隙的周圍，而輻射單元上的電流很小，導致電磁能量無法正常輻射，形成陷波.

圖3 天線表面電流分布Fig.3 Surface current distributions of antenna

2 參數分析

通過對天線進行敏感性分析，發現U型縫隙的長度lnotch1、S型縫隙的長度lnotch2以及接地板高度lg對天線性能的影響較大.在分析某一參數對天線性能的影響時，其它參數均保持不變.圖4 給出了U型縫隙長度lnotch1變化時天線的反射系數曲線.從圖4中可以看出，隨著lnotch1的增加，天線在低頻處的諧振頻率逐漸降低，高頻處的諧振頻率基本不變.

圖4 lnotch1對反射系數的影響Fig.4 Reflection coefficients with different lnotch1

圖5 lnotch2對反射系數的影響Fig.5 Reflection coefficients with different lnotch2

圖5 為S型縫隙的長度lnotch2對天線反射系數的影響.由圖5可知，隨著lnotch2的減小，天線在高頻處的諧振頻率逐漸變大，而低頻處的諧振頻率保持不變.圖6 給出了接地板高度lg對天線反射系數的影響.由圖6可知，隨著lg的減小，天線由兩個阻帶逐漸合并成一個寬阻帶，當lg=9 mm時，天線的工作帶寬可以覆蓋ISM頻段.