基于諧振器加載的雙頻平面天線的設計

彭 麗，趙顯超

(中國人民解放軍93160部隊，北京100071)

0 引言

隨著無線通信系統的高速發展，天線作為無線電系統中重要組成部分[1,2]，是通信、雷達、導航、廣播、遙感等現代無線通信系統中不可缺少的部件。為了滿足多元化的無線通信業務的需求，不同工作頻段的通信系統悄然出現。因此，能夠滿足多模式、多頻段的平面終端天線，成為了解決上述問題的主要途徑。

目前國內外報道了許多具有不同結構的多頻平面天線[3-6]，例如，采用傾斜的D形條[7]、加載2個不同尺寸的堆疊T形[8]、加載開口環[9]、印刷雙曲折線[10]等。 但是，在實際應用中，這些設計大多數都是大尺寸或復雜的結構。近些年來，近距近場加載技術為雙頻天線提供了新穎的設計思路。在文獻[11]中，提出了一種Z形曲折線作為近場加載元件的雙頻單極子天線。在文獻[12]中，提出了一種采用雙電容負載環(CLL)作為近場加載元件的雙頻單極子天線。在文獻[13]中，通過加載埃及戰斧近場元件，實現天線的雙頻特性。

本文在傳統的印刷單極子天線基礎上，創新地在其近場加載了2個折疊線階躍阻抗諧振器(SIR)，通過之間相互耦合，引入了2個諧振頻率，從而實現了雙頻全向輻射的設計要求。與雙曲折線加載的天線相比，該天線簡化了結構和饋電的設計。

1 天線結構的分析和設計

1.1 天線結構

折疊線SIR加載雙頻平面天線的幾何結構，如圖1所示。該天線由一個驅動印刷單極子和2個不同的折疊線SIR組成。這些折疊線SIR分別印刷在基板的頂層和底層。驅動印刷單極子位于基板的中間層。整個天線通過微帶線與50 Ω同軸連接器相連。整個天線結構印刷在介電常數εr=3.38、損耗角正切tanδ=0.002 7的Rogers RO4003C基片上。

(a) 天線正面

天線的具體結構尺寸參數如表1所示。

表1 天線的尺寸參數

1.2 天線的等效電路及分析

提出的折疊線SIR加載雙頻平面天線的基本原理是通過在天線的近距近場加載2個不同的折疊線SIR作為電抗加載元件來引入2種不同的諧振模式。為了了解所述天線的機理，采用了如圖2所示的等效電路。

圖2 天線的等效電路模型

圖2給出了由LC-J-LCR網絡表示的雙頻平面天線的等效電路。驅動印刷平面單極子由La，Ca和Ra組成的有耗并聯諧振器表示。這里，輻射電阻用Ra表示。同時，折疊線SIR1和折疊線SIR2分別由Lr，Cr，L′r和C′r組成的并聯諧振電路等效地表示。驅動印刷單極子天線與折疊線SIR1和折疊線SIR2通過寬邊耦合(上下的層間寬邊平行線耦合)，可以看作是導納倒相器J1和J2。

在設計中，2個不同的折疊線SIR作為電抗加載元件。由于折疊線SIR2具有與折疊線SIR1相似的結構，本文僅對折疊線SIR1進行了分析。折疊線SIR及其等效電路如圖3所示。

圖3 折疊線SIR結構及等效電路

折疊線SIR可以看作是2個并聯的基本SIR，其等效電路由2個導納組成，用Yis表示[14]：

(1)

式中，Z1和Z2是微帶線的特性阻抗；而θ1和θ2分別是微帶線的電長度。

從圖3可以看出，Yb可以從一對并聯導納Yis中獲得，

(2)

同樣，也可以得到Y′b：

(3)

式中，Z′1，Z′2，θ′1和θ′2分別是特性阻抗和電長度。

根據平行耦合濾波器設計的基本知識，驅動印刷單極子與折疊線SIR之間的耦合等效于導納倒相器J。折疊線SIR可以等效為Lr和Cr表示的無損耗并聯LC諧振網絡。

根據導納倒相器J的應用[15]，可以建立導納關系：

。

(4)

同樣，可以得到：

(5)

從并聯導納Ya和Y′a來看，YA如下：

。

(6)

圖2中驅動印刷單極子的導納Yc(即無折疊線SIR加載)可以通過CST STUDIO SUITE三維電磁仿真軟件提取。Yc可得到：

Yc=Gc+jBc，

(7)

式中，Gc和Bc分別是導納Yc的實部和虛部。

最終得到輸入導納Yin為：

。

(8)

為了便于分析，由輸入導納Yin的倒數得到輸入阻抗Zin:

(9)

式(7)中,導納Yc通過仿真提取得到，導納YA和Yin由式(6)和式(8)得到。為了方便分析，阻抗ZA，Zc和Zin(導納的倒數)將用于史密斯阻抗圖分析。

阻抗ZA，Zc和Zin的計算結果如圖4所示。阻抗ZA的虛部在2～4.5 GHz頻段為負，即阻抗ZA為電容性。阻抗ZA有2個峰值，分別是(39.42-j275.76)Ω(@3.1 GHz)和(18.17-j189.08)Ω(@4.2 GHz)。從圖4還可以看出，驅動印刷單極子(即無折疊線SIR加載)的諧振頻率是4.0 GHz。輸入阻抗Zc與ZA并聯，可獲得2個諧振頻率，分別為2.6,3.5 GHz。

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圖4 天線的匹配過程

1.3 天線參數分析

由式(9)可知，由于驅動印刷單極子與折疊線SIR之間的耦合，輸入阻抗Zin會發生變化。在確定驅動印刷單極子和諧振器時，輸入阻抗Zin隨導納倒相器J的變化而變化。根據文獻[16]，驅動印刷單極子與折疊線SIR之間的耦合由它們之間的距離決定，這也相當于導納倒相器J。因此，圖2中的J1和J2由圖1中的物理尺寸H1和H2確定。然后，利用CST STUDIO SUITE三維電磁仿真軟件對預期現象進行了仿真和分析。

當只加載折疊線SIR1(即無折疊線SIR2加載)時，圖5顯示了仿真的反射系數隨H1的不同而變化。在仿真中，其他尺寸參數保持如表1所示。

圖5 仿真的反射系數隨H1變化(無折疊線 SIR2)

從圖5可以看出，天線的諧振頻率隨著H1的減小而逐漸減小。也就是說，隨著驅動印刷單極子天線和折疊線SIR1之間的距離減小，耦合強度增加，天線的諧振頻率降低，這與Cohn的結果一致[17]。圖5還指出了傳統印刷單極子天線(無電抗加載元件加載)的反射系數。與傳統的印刷單極子天線相比，折疊線SIR1加載天線的諧振頻率明顯降低。

圖6給出只加載折疊線SIR2(即無折疊線SIR1加載)時，仿真的反射系數隨不同H2而變化。在仿真中，其他尺寸參數保持如表1所示。

圖6 仿真的反射系數隨H2變化(無折疊線SIR1)

從圖6可以看出，天線的諧振頻率隨著H2的減小而逐漸減小。也得出了類似的結論。隨著驅動印刷單極子與折疊線SIR2之間的耦合距離減小(即耦合強度增加)，天線的諧振頻率降低。

折疊線SIR1和折疊線SIR2同時加載。為了逐步說明這一現象，首先仿真了反射系數隨H1(H2是固定的)的變化，如圖7所示。在仿真中，其他尺寸參數保持如表1所示。

圖7 仿真的反射系數隨H1變化(H2固定)

圖8顯示了隨著不同H2(H1是固定的)而變化的反射系數，這也說明了上述現象。在仿真中，其他尺寸參數保持如表1所示。

圖8 仿真的反射系數隨H2變化(H1固定)

定義H1=H2。如圖9所示，反射系數隨H1和H2而變化。隨著H1和H2的減小，2種諧振頻率都逐漸減小。在仿真中，其他尺寸參數保持如表1所示。

圖9 仿真的反射系數隨H1和H2變化(H1=H2)

2 測試及結果分析

加工并測試了折疊線SIR加載雙頻印刷單極子天線的樣品并焊接KFD20型SMA接頭，折疊線SIR加載雙頻印刷單極子天線的照片如圖10所示。

圖10 天線加工實物

采用Keysight E5071C矢量網絡分析儀測量天線的反射系數，利用SATIMO近場天線測量系統測量天線的輻射方向圖，如圖11和12所示。

圖11 天線反射系數實測現場

圖12 天線輻射方向圖實測現場

仿真與實測反射系數的比較如圖13所示。

圖13 仿真與測試的天線的反射系數

從圖13中可以看出,該平面天線工作在2.45，3.48 GHz，在工作頻點處的反射系數約-14.98，-14.65 dB，具有良好的雙頻特性。

雙頻平面天線的仿真和測量增益如圖14所示。從結果可以看出，天線在工作頻率范圍內獲得了穩定的增益。同時，有2個增益峰值1.9，1.2 dBi，這與仿真結果一致性很好。

圖14 仿真與測試的天線增益

折疊線SIR加載雙頻平面天線在工作頻率范圍內仿真的輻射效率的曲線如圖15所示。在圖15中，測試的輻射效率曲線上有2個峰值，分別為93%，87%。

圖15 天線的輻射效率

需要注意的是，在高頻下，增益和效率會降低。同樣，同軸連接器的焊接精度和基板的介電常數的變化可能導致仿真與測量結果之間的微小偏差。

圖16和圖17分別示出了所述天線在2.45，3.48 GHz下的E面和H面輻射方向圖。顯然，所述天線具有良好的全向輻射方向圖和低交叉極化性能。

(a) E面

(a) E面

在2.45，3.48 GHz的輻射方向圖中，交叉極化水平約為-25 dB。仿真結果與實測值存在一定的偏差，這不僅與同軸連接器焊接精度和基板介電常數的變化有關，還與基板兩層之間使用的膠水有關。

3 結束語

本文提出了一種基于折疊線SIR加載的雙頻平面天線。該天線的雙頻中心頻率為2.45，3.48 GHz，具有良好的輻射效率，可應用于GSM、WiFi等無線通信設備。同時，該雙頻平面天線結構簡單，通過快速調整諧振器與單極子天線之間的耦合距離，可方便地改變天線的諧振頻率，為雙頻全向平面天線的設計提供了一個新穎的設計思路。