一種基于共臂結構的雙頻印刷偶極子天線

劉鑫，張帥

（1.武漢晴川學院 北斗學院，湖北 武漢 430204；2.武漢第二船舶設計研究所，湖北 武漢 430205）

0 引 言

全向天線作為一種基本的天線類型，有著廣泛的應用，它被應用在形成無線擴頻網絡、點對點通信、數據傳輸等方面。在傳統的全向天線中，例如單極子天線、偶極子天線和套筒天線，印刷偶極子天線因其成本低、重量輕、外形小、易于加工等優點，尤其受到業界的青睞。在印刷偶極子天線的設計中，寬帶化、小型化和高增益是其關鍵的技術要求。印刷偶極子天線最獨特的特點是它的結構簡單地由印刷在介質基片兩側的兩個臂組成，通過適當調整這些臂，它的諧振頻率和帶寬可以滿足我們不同的需求。

在無線局域網、物聯網通信領域，常用的通信頻段是433 MHz 頻段和2.4 GHz 頻段。這是因為根據ITU-R（國際通信聯盟無線電通信局）的規定，使用ISM（工業、科學、醫療）頻段無需許可證或費用，只需要遵守一定的發射功率，并且不要對其他頻段造成干擾即可。433 MHz 和2.4 GHz 頻段正是各國共同的ISM 頻段，因此藍牙、Wi-Fi、ZigBee、LoRa 等無線通信技術均是采用的這兩個頻段。可同時工作在433 MHz 和2.4 GHz 頻段的天線，在無線局域網、物聯網通信領域有著廣泛的用途。

關于雙頻段、多頻段印刷偶極子天線的研究已有很多，在輻射貼片或接地平面上刻蝕狹縫是獲得多個頻段的常用方法之一。另一個經典的解決方案是將工作在不同頻段的天線放在一起，然而，它需要一個匹配電路，這使設計復雜化。第三種解決方案是在插槽上添加條帶，此外，通過引入各種帶隙結構，天線也可以獲得多個頻段。近年來，隨著材料科學的發展，超材料被廣泛應用于多頻段天線的設計。文獻[6]提出了一種雙單元NRI-TL 加載天線，該天線加載了具有串聯電容間隙和分流電感條的主偶極天線，以實現多頻帶行為。文獻[7]中提出的另一個想法表明，可以通過引入互補開口環諧振器來實現雙頻帶響應。

本文提出了一種新型的雙頻印刷偶極子天線結構，可同時工作在433 MHz 和2.4 GHz 頻段，在無線局域網、物聯網通信領域有著廣泛的應用。該天線采用共臂結構，通過將高頻輻射體設計為低頻印刷偶極子的另一臂，有效縮短了天線的整體尺寸，另一方面通過加載電感，進一步縮短了低頻陣子臂的長度，使得整個天線尺寸僅240 mm×8 mm×0.5 mm。

1 雙頻印刷偶極子天線設計

1.1 雙頻天線整體結構設計

基于共臂結構的雙頻印刷偶極子天線的整體設計思路是采用高頻輻射體作為低頻偶極子的一個臂，其中高頻輻射體采用二元偶極子陣列，一方面可以提升高頻段的天線增益，另一方面也正好與低頻半波偶極子天線臂的長度相當。圖1（a）是該天線正反面結構示意圖，可以看出該天線由一個工作在高頻的二元雙面印刷偶極子陣列和一個工作在低頻的偶極子下臂組成，整個天線的總長度是。

圖1 雙頻天線結構示意圖

工作在高頻的二元雙面印刷偶極子陣列結構如圖1（b）所示，位于介質基板兩側的高頻陣子臂相互反向放置，天線介質基板的相對介電常數為ε=2.65，損耗正切角為tan=0.005。該二元偶極子陣列的主要參數包括高頻偶極子的寬度、高頻偶極子臂的長度、兩個高頻偶極子之間的距離、高頻二元偶極子陣列匹配支節的長度，這些參數共同決定了高頻段的天線特性。

該二元偶極子陣列與饋電端口之間設置隔離電容，電容的高通特性使得天線工作在低頻時，接地陣子上的電流不會串擾到介質基板上半部分的輻射單元上，從而使得高頻輻射體成為低頻印刷偶極子的上臂，與下臂共同構成低頻印刷偶極子的完整結構。工作在低頻的偶極子下臂結構如圖1（c）所示，其主要參數為低頻偶極子下臂的長度，為了縮短低頻陣下臂的長度，在下臂上設置了電感。

1.2 雙頻天線參數優化設計

由于采用了加載電感的方式來縮小天線縱向尺寸，需分析電感位置對天線性能的影響。當電感位置靠近饋電端口時，天線方向圖仿真結果如圖2中ANT.1 曲線所示，可以看出天線方向圖出現了上翹，最大增益點不在水平方向上。隨著電感的位置從饋電端口向天線下臂末端移動，天線最大增益點先是越來越接近水平方向，后又逐漸偏離水平方向。當電感位于天線下臂，距離饋電端口12 mm 左右時，天線最大增益點基本處于水平方向，此時的天線方向圖仿真結果如圖2中ANT.2 曲線所示。

圖2 電感在不同位置時的方向圖

除了電感的位置，印刷振子的尺寸調整也會較大程度地影響天線的性能。高頻偶極子的寬度、高頻偶極子臂的長度對天線的高頻性能產生影響，低頻偶極子下臂的長度對天線的低頻性能產生影響。而兩個高頻偶極子之間的距離、高頻二元偶極子陣列匹配支節的長度既對高頻二元偶極子陣列的性能有影響，也對低頻偶極子的性能有影響，即對天線的高頻和低頻性能都可能產生影響。

圖3是兩個高頻偶極子之間的距離變化時，天線電壓駐波比的仿真結果。可以看出，隨著兩個高頻偶極子之間距離的增大，低頻段的諧振點向低頻方向移動，但高頻段性能較穩定，基本不受其影響。圖4是高頻二元偶極子陣列匹配支節的長度變化時，天線電壓駐波比的仿真結果。可以看出，隨著匹配支節長度的增加，低頻段的諧振點基本不受影響，但高頻段的諧振點向低頻方向移動。

圖3 兩個高頻偶極子之間的距離對VSWR 的影響

圖4 高頻二元偶極子陣列匹配支節的長度對VSWR 的影響

利用Ansoft 公司的HFSS 電磁仿真軟件，經過多次迭代優化設計，最終建立了如圖5所示的雙頻天線模型，天線各部分的詳細參數如表1所示。從天線模型中可以看出，天線的主體是一個低頻段的偶極子天線，中間是連接SMA 射頻端口和同軸線的饋電端口，其下臂是一個電感加載的銅管結構，其上臂耦合了一個高頻段的二元偶極子陣列天線。基于F4B 板材制作的雙頻天線實物圖如圖6所示，整個天線尺寸為240 mm×8 mm×0.5 mm。

圖5 采用HFSS 電磁仿真軟件建立的雙頻天線模型

表1 雙頻天線尺寸參數表

圖6 基于F4B 板材制作的雙頻天線

2 測試結果及分析

2.1 天線射頻匹配性能測試

通過測試天線在饋電端口處的復阻抗和回波損耗，可以評估天線的射頻匹配性能。首先通過Keysight 的N9915A矢量網絡分析儀測得天線在饋電端口處的復阻抗如圖7所示。其中Mark 點M1 設置在天線的低頻段433 MHz，從圖中可以看出，該點的復阻抗非常接近50 Ω，具有優異的阻抗匹配特性。Mark 點M2 設置在天線的高頻段2 390 MHz，該點的復阻抗為43.3 Ω-j0.2 Ω，反射系數僅為0.07，由于阻抗不匹配所導致的反射能量可以忽略不計。因此，天線在433 MHz 和2.4 GHz 兩個頻段都具有優異的匹配性能。

圖7 天線在SMA 端口處的復阻抗測量結果

其次對天線在饋電端口處的回波損耗S11 進行了測量，測量頻率范圍覆蓋0 Hz ～3 GHz，測量結果如圖8所示。根據Mark 點的測量值，低頻段回波損耗S11=-21.72 dB@ 433 MHz，高頻段回波損耗S11=-22.3 dB @ 2 390 MHz。天線在433 MHz 和2.4 GHz 兩個頻段的回波損耗均低于-20 dB，射頻匹配性能優異。

圖8 天線在SMA 端口處S11 參數測量結果

2.2 天線輻射特性測試

天線的輻射特性可以通過測試天線的方向圖來評估。在微波暗室分別測試了12 支雙頻天線在兩個目標頻段內的方向圖，圖9是雙頻天線在低頻段的方向圖測試結果，可以看出天線在低頻段的增益約為1 ～2 dBi，最大增益點位于水平方向，與仿真結果具有較高一致性。圖10 是雙頻天線在高頻段的方向圖測試結果，可以看出天線在高頻段的增益約為3 ～4 dBi，最大增益點也正好處于水平方向，天線的輻射特性良好。

圖9 雙頻天線的低頻方向圖

圖10 雙頻天線的高頻方向圖

3 結 論

本文成功地設計、制造和分析了一種雙頻印刷偶極子天線，該天線可同時工作在433 MHz 和2.4 GHz 兩個頻段，在無線局域網、物聯網通信領域有著廣泛的應用。為了縮小天線尺寸，一方面通過加載電容，將高頻二元印刷偶極子陣列設計成低頻偶極子的上臂；另一方面通過加載電感，縮短低頻偶極子下臂的長度，使得天線尺寸僅240 mm×8 mm× 0.5 mm，易于加工和安裝，非常適合小型天線的應用。實測結果表明，該天線在433 MHz 和2.4 GHz 兩個頻段均具有良好的射頻匹配性能。低頻段的增益約為1 ～2 dBi，最大增益點位于水平方向，高頻段的增益約為3 ～4 dBi，最大增益點也正好處于水平方向，天線的輻射特性良好。