一種對(duì)稱支節(jié)的單極子雙頻天線設(shè)計(jì)*

馬玉良 ，羅 雙 ，王代強(qiáng)

（1.貴州大學(xué) 大數(shù)據(jù)與信息工程學(xué)院，貴州 貴陽(yáng) 550025；2.貴州民族大學(xué)，貴州 貴陽(yáng) 550025）

0 引 言

隨著無(wú)線通信的發(fā)展，對(duì)通信質(zhì)量和效率的要求越來(lái)越高。天線作為通信系統(tǒng)中重要的部分，一直備受研究者的關(guān)注。近年來(lái)提出了多種單頻天線和雙頻天線的結(jié)構(gòu)。文獻(xiàn)[1]中使用共面波導(dǎo)饋電的方式設(shè)計(jì)了一種工作在900 MHz的單極子天線；文獻(xiàn)[2]在普通的到F天線上進(jìn)行添加寄生單元改進(jìn)，得到了工作中心頻率為1.2 GHz的天線；文獻(xiàn)[3]通過(guò)兩個(gè)彎折偶極子加上一個(gè)矩形結(jié)構(gòu)得到了工作頻段為840～960 MHz的天線。除了單頻天線的研究，文獻(xiàn)[4]在輻射貼片上切了一個(gè)矩形缺口，同時(shí)利用短路探針設(shè)計(jì)出了工作中心頻率為3.8 GHz和4.5 GHz的雙頻天線；文獻(xiàn)[5]則利用梯形的輻射面加上“工”形的寬槽，實(shí)現(xiàn)了中心頻率為2.5 GHz和5.5 GHz特性天線；文獻(xiàn)[6]提出了一個(gè)帶槽的雙頻折疊偶極子，得到了工作中心頻率為915 MHz和2.45 GHz的天線；文獻(xiàn)[7]采用了蜿蜒結(jié)構(gòu)的輻射面，不但減小天線的尺寸，而且實(shí)現(xiàn)了工作頻率為1.8 GHz和2.45 GHz的雙頻特性；文獻(xiàn)[8]利用一種對(duì)數(shù)周期偶極子陣列，也實(shí)現(xiàn)了雙頻特性，其工作頻率為1.03 GHz和1.37 GHz；文獻(xiàn)[9]采用三角形分形寄生元件得到了24.47 GHz和26.1 GHz兩個(gè)工作中心頻率；文獻(xiàn)[10]使用同軸饋電，結(jié)合對(duì)稱的V形結(jié)果也獲得了工作中心頻率為2.45 GHz和5.24 GHz的雙頻天線。

本文中的天線采用同軸線饋電，在傳統(tǒng)單極子天線的基礎(chǔ)上，對(duì)接地面進(jìn)行了改進(jìn)，兩側(cè)引入一對(duì)稱的支節(jié)，同時(shí)在多邊形的輻射面上刻蝕了X形槽。通過(guò)這樣的結(jié)構(gòu)，率為1.01～1.20 GHz和2.25～2.45 GHz的雙頻工作特性，并且兩個(gè)頻段具備相對(duì)獨(dú)立的特性，各自的中心頻率獨(dú)立可調(diào)。最后仿真結(jié)果表明該天線在兩個(gè)頻段內(nèi)S11＜-10 dB，具有近似全向的輻射特性。

1 天線結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)

天線的正面和背面如圖1所示，天線由一個(gè)多邊形、一對(duì)稱的支節(jié)組成了輻射貼片和接地面，使用了50Ω的同軸線進(jìn)行饋電。采用了FR4材料作為天線基板，其相對(duì)介電常數(shù)εr=4.4，損耗角正切為0.02，厚度為1 mm。圖1中，W1和W5為基板的寬度和長(zhǎng)度，W2和L2為基板缺口的寬度和長(zhǎng)度，該目的是為了實(shí)現(xiàn)阻抗匹配的要求，L4和W7為接地面的長(zhǎng)度和寬度，為了達(dá)到要求的阻抗帶寬，輻射貼面的寬度和長(zhǎng)度分別為W3、L3，在輻射面上頂部切去兩個(gè)長(zhǎng)度為L(zhǎng)6，高度W6的三角形，同時(shí)輻射面上還刻蝕X形狀的槽，其長(zhǎng)度和寬度各為L(zhǎng)5和W5，從而實(shí)現(xiàn)雙頻特性。

圖1 天線結(jié)構(gòu)圖

在設(shè)計(jì)天線的時(shí)候，上述參數(shù)都是經(jīng)過(guò)工具ANSYS 17.0來(lái)進(jìn)行優(yōu)化和分析的，特別是X形狀槽和接地面對(duì)稱的支節(jié)，因?yàn)檫@兩部分的參數(shù)是影響雙頻特性的關(guān)鍵參數(shù)。最后優(yōu)化得到的參數(shù)如表1所示。

表1 最終優(yōu)化的參數(shù)

2 仿真及結(jié)果

按照表1確定好天線的最優(yōu)參數(shù)后，使用ANSYS 17.0對(duì)天線的回波損耗進(jìn)行了仿真，仿真結(jié)果如圖2所示。從圖2中可以看到中心頻率1.10 GHz和2.35 GHz的回波損耗均小于-10 dB，而在非工作頻段內(nèi)，其回波損耗均大于-10 dB，實(shí)現(xiàn)了天線的雙頻特性。

圖2 回波損耗S11曲線

在優(yōu)化天線的過(guò)程中，當(dāng)掃描某個(gè)參數(shù)時(shí)，其他參數(shù)固定不變，始終保持只有一個(gè)變量的原則。主要觀察的參數(shù)為回波損耗，結(jié)果發(fā)現(xiàn)接地面上對(duì)稱支節(jié)的長(zhǎng)度L4和X形槽的長(zhǎng)度L5為影響天線雙頻特性的關(guān)鍵參數(shù)，這兩個(gè)參數(shù)的回波損耗曲線如圖3和圖4所示，其余參數(shù)對(duì)天線的雙頻特性影響幾乎很小，其中。最終確定好最優(yōu)參數(shù)后，對(duì)天線的其他參數(shù)如增益、方向圖等進(jìn)行了仿真分析。

圖3 X形槽長(zhǎng)度變化的回波損耗曲線

圖4 接地支節(jié)長(zhǎng)度變化的回波損耗曲線

從圖3中可看出，隨著X形槽長(zhǎng)度L4值增大，第一個(gè)中心頻點(diǎn)往低頻方向移動(dòng)，第二個(gè)中心頻點(diǎn)幾乎保持不變，在頻率2.75 GHz附近的S11曲線也往大于-10 dB方向移動(dòng)。雖然L4=53.6 mm時(shí)，中心頻點(diǎn)的S11值越小，但同時(shí)2.75 GHz附近的S11卻小于-10 dB，所以最后L4的值確定為53.6 mm。在圖4中，第二個(gè)中心頻點(diǎn)隨著L5值的增大往低頻方向移動(dòng)，同時(shí)第一個(gè)中心頻點(diǎn)幾乎保持不變。L5在增大的同時(shí)，頻率大于2.75 GHz部分的S11值一直保持大于-10 dB，說(shuō)明其高頻方向的特性較穩(wěn)定。通過(guò)圖3和圖4還能看出，該天線工作的兩個(gè)中心頻點(diǎn)相對(duì)獨(dú)立，在實(shí)際應(yīng)用中可以通過(guò)改變各自頻點(diǎn)對(duì)應(yīng)的參數(shù)來(lái)改變中心頻率，這一特性可以很好的應(yīng)用在通信系統(tǒng)中。

天線的3D增益方向圖如圖5所示，圖中顏色越深表面其位置增益越好，顏色越淺表明增益越差，從圖中觀察到，天線從原點(diǎn)中心向外輻射，各個(gè)方向上輻射的能量有著較小的差別。圖6和圖7分別是頻率為1.07 GHz和2.36 GHz的XOY面的增益方向圖，從圖中看到兩個(gè)工作頻點(diǎn)的XOY面增益整體上具有一致性。

圖5 天線的3D增益圖

圖6 1.07GHz的XOY面增益方向圖

圖7 2.36GHz的XOY面增益方向圖

3 結(jié) 語(yǔ)

本文設(shè)計(jì)了一種工作中心頻率為1.07 GHz和2.36 GHz的雙頻天線，通過(guò)使用仿真工具ANSYS 17.0對(duì)其參數(shù)進(jìn)行了優(yōu)化和討論。仿真結(jié)果表明，該天線工作頻率內(nèi)的回波損耗均小于-10 dB，在非工作范圍的頻率，其回波損耗均大于-10 dB。天線能通過(guò)調(diào)節(jié)關(guān)鍵參數(shù)來(lái)改變各自的工作中心頻率，具有相對(duì)獨(dú)立性。此外，在工作頻率內(nèi)天線的輻射特性較好。