一種新型雙頻微帶天線的設計

郁 劍

(南京工業大學 計算機科學與技術學院，江蘇 南京 211816)

0 引言

近年來，隨著無線局域網(WLAN)(2.4～2.483 5 GHz,5.15～5.825 GHz)和車用無線通信技術(V2X)(5.905～5.925 GHz)等無線通信技術的快速發展，車載無線通信設備的研究已經成為熱點。在車載無線通信設備中，天線[1-4]作為一個最重要的電路元件，天線的性能直接關系到整個車載系統的通信質量。此外，人們對無線通信的需要日益增長也對車載無線通信技術提出了新的要求，一套車載通信系統[5]可以同時滿足不同無線通信標準的要求。目前的單頻帶通信系統已經無法滿足實際應用的要求，無線通信系統都需要在多個頻段工作。同時，由于車載無線通信系統整體尺寸的限制，對天線尺寸也提出了新的要求，天線設計人員正試圖在減少天線物理尺寸的同時，又能覆蓋WLAN和V2X頻段。為了能夠同時覆蓋上述幾個頻段，超寬帶天線被提出。但是，超寬帶天線[6-7]也覆蓋了許多不需要的頻段，所以設計出同時能夠工作在WLAN和V2X頻段的多頻段小型化天線[8-14]是很有必要的。

實現同時覆蓋2個頻段的一個簡單方法是把一個工作在較低頻帶的單極子和另一個工作在2個更高頻帶的單極子組合在一起[4]。但是，工作頻段低的天線具有較大的天線尺寸，所以，利用不同技術方法設計出的多頻天線[5-9]不斷被提出以滿足多頻帶小型化的要求：L形/E形結構[5]、在地和輻射單元上開槽[6]，在槽單極子天線中嵌入矩形寄生單元[7]，2個耦合的C形條帶[8]，短路、居中和偏置的3個短路銷釘[9]。但是，在實際車載無線系統的應用中，這些設計方法設計出的天線大多都需要大的尺寸或是復雜的結構。

隨著雙頻天線設計方法的不斷發展，越來越多新型雙頻天線不斷被提出[15-18]。為此，本文設計了一款能夠同時適用于WLAN/V2X的新型雙頻微帶貼片天線，天線輻射單元由2個完全相同的殘缺橢圓環構成，利用2個橢圓環的合理組合，實現輻射單元在2個所需頻段產生輻射。該雙頻天線的2個工作頻段的電壓駐波比(VSWR<2)分別為2.3～2.8 GHz和5.08～6.03 GHz，相對阻抗帶寬分別達到了19.6%和17.1%。整個天線印刷在尺寸為40.0 mm×47.4mm，厚度為1.6 mm，介電常數為4.4的FR4介質基板上，輻射貼片的尺寸為23.6 mm×21.2 mm。該天線具有貼片尺寸較小、結構簡單、頻帶覆蓋寬、輻射性能良好等優點。

1 雙頻天線的優化設計

天線的輻射貼片是利用2個殘缺橢圓環構成的單極子作為基礎結構來進行演化的。所提出的微帶雙頻貼片天線的演化過程如圖1所示。

圖1 雙頻貼片天線的設計過程Fig.1 Design process of the proposed dual-band patch antenna

從最初的單極子天線1(Antenna1)出發，通過在2個殘缺橢圓環的上和下端分別增加突出枝節得到了天線2(Antenna2)和天線3(Antenna3)，以此來改善天線的工作頻段，從而能夠實現雙頻覆蓋的特性。為了能夠更好地覆蓋WLAN/V2X兩種通信工作頻段，在天線1輻射單元的上下端都進行加載得到天線4(Antenna4)，通過仿真可以得到理想的雙頻覆蓋特性。4副天線VSWR的仿真結果如圖2所示。

圖2 4副貼片天線仿真結果的對比Fig.2 Comparison of simulation results of four patch antennas

由圖2可以看出，天線4可以在WLAN和V2X兩個頻段上實現很好的覆蓋。

雙頻微帶貼片天線4的幾何結構如圖3所示。

圖3 雙頻貼片天線的結構圖Fig.3 Structure of the proposed dual-band patch antenna

雙頻貼片天線的輻射單元由2個交錯的殘缺橢圓環(IERs)組成，2個IERs是關于介質基板中心對稱的，橢圓環的中心與介質基板的中心相距的距離為m。橢圓環的外長軸與內長軸分別為e1和e2，同時，2個內外橢圓的長軸與短軸之比都為k，與天線輻射單元相連的是阻抗為50 Ω的微帶饋線，饋線的長度和寬度分別為l1和w1，r0是殘缺橢圓環所切部位的張角，接地板的尺寸為W×l1。利用電磁仿真軟件 HFSS構建天線仿真模型并對天線結構參數進行優化，得到天線最終結構尺寸如表 1 所示，設定內外橢圓的長軸之差為s。

表1 天線結構參數Tab.1 Parameters of the proposed antenna 單位：mm/(°)

2 雙頻天線的仿真分析

對于所設計的雙頻貼片天線，各個參數的變化會直接影響天線的整體性能。為了能使所提出的雙頻貼片天線性能能夠達到一個較好的效果，本文利用電磁仿真軟件對天線中的部分參數進行優化、仿真和分析，圖4和圖5給出了天線VSWR隨各個參數變化的仿真曲線。

參數m變化時，天線的VSWR隨頻率變化的仿真曲線如圖4所示。

圖4 2個殘缺橢圓環間距對天線性能的影響Fig.4 Effect of distance between two incomplete elliptic rings on the antenna performance

從圖4可以看出，當其他參數保持不變時，隨著參數m的不斷增大，天線的2個諧振點(高頻諧振點和低頻諧振點)都向低頻段移動，高低頻阻抗帶寬的覆蓋范圍在縮小，并且在m達到一定值時，天線的2個諧振點基本保持不變。由基本的電磁場理論可知，天線的輻射單元環的總長度變化會導致環內的電流經過的路徑變長，從而導致了諧振點往低頻移動。因此，通過調整參數m，可以使天線在高低頻段內得到理想的諧振點和阻抗帶寬。殘缺橢圓環對天線性能的影響如圖5所示。

圖5(a)所示的是軸比k變化時，天線的VSWR隨頻率變化的仿真曲線。由圖5(a)可知，軸比k由0.5增大到1.3的過程中，天線的高低頻諧振點基本未發生變化，但是，天線的高低頻阻抗帶寬都隨著軸比的增大而展寬。因此，通過選擇合適的軸比k可以獲得滿足WLAN/V2X通信需求的頻率覆蓋范圍。圖5(b)、圖5(c)分別給出了參數e1和s變化時，天線的VSWR隨頻率變化的仿真曲線。從圖5(b)和圖5(c)給出的仿真結果可以看出，2個參數的變化對天線的低頻諧振點、高頻諧振點和低頻阻抗帶寬幾乎沒有影響，主要影響高頻的阻抗帶寬。e1由11.4 mm增大到12.2 mm的過程中，天線的高頻阻抗帶寬的變化規律與之相反，阻抗帶寬是越來越小的；而s由1.9 mm增大到2.7 mm的過程中，天線的高頻阻抗帶寬的變化規律則是相同的，隨著s的增大，高頻阻抗帶寬也隨之展寬。通過上述3個參數的分析可以發現，參數k，e1，s都對天線的阻抗帶寬產生影響，而對天線的高低頻諧振點影響不大。所以，通過優化3個參數k，e1，s，可以得到滿足性能要求的雙頻貼片天線。

(a) 天線 VSWR隨k變化的仿真曲線

(a) E面

(a) 2.55 GHz

3 雙頻天線結果分析

設計的雙頻微帶貼片天線的仿真電壓駐波比(VSWR)曲線如圖6所示。

圖6 天線電壓駐波比VSWR的仿真結果Fig.6 Simulation results of VSWR of the proposed antenna

由圖6可以看出，天線的電壓駐波比VSWR<2的阻抗帶寬有兩段，在2.4 GHz頻段和5 GHz頻段的范圍分別為2.3～2.8 GHz和5.08～6.03 GHz，相對帶寬分別達到了19.6%和17.1%，這兩段阻抗帶寬完全能夠覆蓋無線局域網WLAN頻段(2.4～2.483 5 GHz，5.15～5.825 GHz)和車用無線通信技術V2X頻段(5.905～5.925 GHz)。同時，在這2個頻段內，分別給出了各自頻段中心頻率處的貼片天線表面電流分布圖，如圖7所示。當天線工作在2.55 GHz時，表面電流主要分布在天線的內環輻射貼片上；工作在5.55 GHz時，表面電流主要分布在天線的內環上部和上部枝節輻射貼片上。

為了考察天線的輻射特性，圖8給出了天線在低頻段2.45 GHz和高頻段5.5，5.91 GHz四個頻點上的zy面(E面)和xy面(H面)方向圖。

由圖8可以看出，天線在低頻輻射頻段內表現出和偶極子天線類似的輻射特性，即在H面，天線具有全向的輻射特性；在E面，天線的方向圖類是“8”字。在高頻輻射頻段內，雖然天線的輻射方向圖出現了畸變，但是，天線整體的輻射特性還是和偶極子天線的輻射特性相類似的[19]。

天線在空間中的峰值增益隨頻率變化的仿真結果如圖9所示。

圖9 仿真的峰值增益Fig.9 Peak gain of the proposed antenna

由圖9可以看出，天線在低頻阻抗帶寬內，峰值增益的變化范圍為2.01～2.74 dBi，帶內的平均峰值增益為2.29 dBi；在高頻阻抗帶寬內，峰值增益的變化范圍為2.45～3.31 dBi，帶內的平均峰值增益為2.86 dBi。綜上所述，天線在高、低頻工作頻段范圍內，峰值增益的波動很小，說明天線的輻射性能保持穩定，保證了對無線通信信號的有效傳輸。

4 結束語

本文提出了一種新型的雙頻貼片天線，可同時工作于無線局域網WLAN頻段(2.4～2.4835 GHz，5.15～5.825 GHz)和車用無線通信技術V2X頻段(5.905～5.925 GHz)，具有良好的輻射效率，可應用于無線局域網和車用無線通信技術等無線通信設備上。同時，通過合理地調整2個殘缺橢圓環中心之間距離和橢圓環的尺寸，設計出適合其他頻段應用的微帶天線。本方法設計出的天線具有貼片尺寸較小、結構簡單、頻帶覆蓋寬和輻射性能良好等優點，可以為雙頻微帶貼片天線提供一種有效的設計路線。