采用階躍阻抗諧振器的小型化雙頻天線

馬潤波,張文梅

采用階躍阻抗諧振器的小型化雙頻天線

馬潤波,張文梅＊

(山西大學(xué)物理電子工程學(xué)院,山西太原030006)

提出一種采用階躍阻抗諧振器(SIR)設(shè)計雙頻天線的方法.通過建立天線的傳輸線模型,得到了雙頻天線的工作頻率與傳輸線特性的關(guān)系式.然后,利用該方法設(shè)計了一個2.4/5.2 GHz的小型化雙頻天線,其結(jié)構(gòu)尺寸由工作頻率直接綜合得到.同時用電磁全波仿真,優(yōu)化了天線的饋電位置.所實(shí)現(xiàn)的天線尺寸為29.3 mm×7.7 mm,相當(dāng)于0.5λ×0.125λ.仿真和測試結(jié)果表明,采用階躍阻抗諧振器設(shè)計雙頻天線的方法是可行且有效的.

射頻;階躍阻抗諧振器;雙頻;天線

0 引言

隨著多標(biāo)準(zhǔn)移動通信終端的飛速發(fā)展,國內(nèi)外學(xué)者對雙頻段或多頻段天線進(jìn)行了大量的研究工作,提出了很多實(shí)現(xiàn)方法和結(jié)構(gòu).針對無線局域網(wǎng)應(yīng)用中的雙頻段或多頻段天線,文獻(xiàn)[1]提出了采用雙L形縫隙的實(shí)現(xiàn)方法,而文獻(xiàn)[2]和[3]分別設(shè)計了小型化的微帶饋電共面天線和印刷單極子天線.一種利用較小地平面上寄生參數(shù)的三角形貼片雙頻天線在文獻(xiàn)[4]中提出.文獻(xiàn)[5]則提出兩種印刷倒F天線,一種將倒F天線的尾部進(jìn)行螺旋處理,另一種將饋電結(jié)構(gòu)變?yōu)轳詈闲问?文獻(xiàn)[6]提出了一種工作于多頻段的階躍阻抗貼片天線,它的結(jié)構(gòu)接近二分之一波長的階躍阻抗諧振器(SIR),其中天線貼片尺寸通過優(yōu)化得到.

本文提出了一種同軸饋電的小型化雙頻天線,其結(jié)構(gòu)接近四分之一波長SIR.SIR由兩種不同特性阻抗的傳輸線組成[7],一般應(yīng)用于濾波器設(shè)計中[8,9].SIR的基本諧振頻率和第一雜散頻率可以通過改變傳輸線的電長度和阻抗比來調(diào)整,可以利用這個特點(diǎn)來設(shè)計雙頻天線.文中首先通過分析天線的傳輸線模型,給出了兩個工作頻率與天線結(jié)構(gòu)中傳輸線阻抗比和電長度的關(guān)系.然后,利用本方法設(shè)計了一個工作頻率為2.4/ 5.2 GHz的雙頻天線,其結(jié)構(gòu)尺寸可以根據(jù)工作頻率直接綜合得到,并在此基礎(chǔ)上進(jìn)行了修正.接著,按照設(shè)計尺寸對天線進(jìn)行了電磁全波仿真,在分析了饋電點(diǎn)位置對天線輸入阻抗的影響后確定了合適的饋電點(diǎn)位置.最后,對設(shè)計天線進(jìn)行了制作和測量,驗(yàn)證了所提出設(shè)計方法的有效性.

1 設(shè)計原理

圖1(a)(P234)給出SIR雙頻天線的原理結(jié)構(gòu),頂層為輻射貼片,中間為介質(zhì)層,底層為天線地.貼片由三部分組成,I部分是寬金屬貼片,右端通過金屬接地帶連接到地層,其特性阻抗和電長度分別為Z1、θ1,II和III部分對稱地分布在I部分的兩邊,兩部分的特性阻抗和電長度均為Z2、θ2.為減小整個結(jié)構(gòu)的尺寸,將II和III部分進(jìn)行彎曲.設(shè)天線的工作頻率為f0和fs1.

忽略阻抗階躍非連續(xù)性及開路端的邊緣電容,得到天線的傳輸線模型如圖1(b)所示,天線左端面導(dǎo)納Yres為,

當(dāng)Yres=0時,得諧振條件

進(jìn)一步得

圖1 SIR雙頻天線,(a)原理結(jié)構(gòu),(b)傳輸線模型Fig.1 Proposed SIR dual-band Antenna,(a)Structure,(b)transmission line model

可以看到,諧振條件取決于電長度θ1、θ2和阻抗比RZ.須注意這里阻抗比RZ定義為Z2/(2Z1),和文獻(xiàn)[7]中的標(biāo)準(zhǔn)四分之一SIR的阻抗比定義(Z2/Z1)有區(qū)別.這是因?yàn)樵诒窘Y(jié)構(gòu)中特性阻抗為Z2的傳輸線有兩條,并聯(lián)后阻抗為Z2/2,從而這里的阻抗比形式上是標(biāo)準(zhǔn)SIR阻抗比的一半.另外,當(dāng)θ1=θ2≡θ0時,總電長度θ1+θ2最小[7],由公式(3)得

可以看出,當(dāng)天線的第一工作頻率為f0時,貼片的I、II、III部分電長度可從公式(4)得到.另外,設(shè)第二諧振頻率為fS1,那么f0和fS1的關(guān)系為[7]

可見,I、II、III的阻抗和電長度確定后,貼片的兩個諧振頻率f0和fS1也隨著確定了;經(jīng)同軸向貼片饋送信號后,在f0和fS1頻率上會產(chǎn)生諧振.由于貼片I部分左端為寬開路端,這里能夠形成強(qiáng)輻射,從而實(shí)現(xiàn)雙頻天線功能.反之,如果給定貼片的f0和fS1,可以由公式(5)得到阻抗比,然后利用公式(4)就可以確定天線各部分的電長度.

2 2.4/5.2GHz雙頻天線設(shè)計實(shí)例

下面通過設(shè)計一個2.4/5.2 GHz雙頻天線來說明利用SIR結(jié)構(gòu)設(shè)計雙頻天線的方法和步驟.設(shè)計中采用FR4介質(zhì)板,介電常數(shù)ε=4.4,厚度h=1.52 mm.

首先,將f0=2.4 GHz和fS1=5.2 GHz代入公式(5),得RZ=2.343.再利用公式(4),得到貼片各部分電長度為θ1=θ2=56.8°.

然后,為提高輻射能力,將Z1設(shè)定為介質(zhì)板上可實(shí)現(xiàn)的較小值,如Z1=15Ω.由前面得到的阻抗比RZ,計算得Z2=70.3Ω.由各部分特征阻抗和電長度,利用軟件Ansoft Designer SV綜合得到各部分的物理尺寸:I部分長度為lS1=9.92 mm,寬度為w1=15.05 mm,II和III部分長度為lS2=11.05 mm,寬度為w2=1. 53 mm.

最后,按照圖2(P235)(a)的布局布置和連接貼片的各部分,根據(jù)圖2(b)、(c)的電流模式和天線的輻射特點(diǎn),對貼片各部分的長度進(jìn)行修正.I部分右端經(jīng)短路帶接地,短路帶等效長度為0.5h.另外,考慮貼片左端輻射縫隙寬度約h[10],根據(jù)圖2(b)給出5.2 GHz時貼片上的電流模式,I部分頂層貼片長度l1應(yīng)取為lS1 -1.5h=7.65 mm.II和III部分的長度主要影響天線的第一個工作頻率,根據(jù)圖2(c)給出的2.4 GHz電流模式可知,l2和l3應(yīng)滿足,

將l1=lS1-1.5h代入公式(6)得由此確定l2+l3=12.6 mm.為縮短縱向尺寸,l2應(yīng)該取較小值,但過小會使長度為l3的部分與I部分間產(chǎn)生耦合而影響特性.折中考慮,取l2=5.5 mm,l3=7.1 mm.這樣得到的天線貼片尺寸為29.3 mm×7.7 mm,相當(dāng)于0.5λ×0.125λ,λ為2.4 GHz對應(yīng)波長.

圖2 (a)頂層貼片結(jié)構(gòu),(b)5.2 GHz電流模式,(c)2.4 GHz電流模式Fig.2 (a)Geometry of the patch on top layer,current patterns for(b)5.2 GHz and(c)2.4 GHz

3 仿真和測量結(jié)果

天線的諧振頻率主要由各部分長度和寬度決定,同時還會受到饋電點(diǎn)位置的影響,圖3給出天線輸入阻抗隨lp變化的仿真結(jié)果.可以看到,天線輸入阻抗虛部隨lp增加而變化范圍增加,并在2.4 GHz和5.2 GHz處接近于0,說明天線可以在這兩個頻率處形成諧振.同時,在2.4 GHz和5.2 GHz處,天線輸入阻抗實(shí)部隨lp增加而增加,且低頻處的最大值小于高頻處的最大值.為使輸入阻抗和饋電端口阻抗在2.4 GHz和5.2 GHz兩處的匹配都較好,取lp=3.5 mm.

圖3 不同lp時天線的輸入阻抗Fig.3 Input impedance of the SIR antenna for differentlp

所設(shè)計的天線在FR4基板上實(shí)現(xiàn),測量結(jié)果如圖4、5、6(P236)所示.圖4給出了仿真和測量的反射系數(shù),二者比較吻合.測量的天線工作頻率在2.33 GHz和5.06 GHz,略低于仿真的2.4 GHz和5.2 GHz,這是由于實(shí)際介質(zhì)和設(shè)計介質(zhì)的介電常數(shù)存在偏差造成的.天線在兩個頻率上的反射系數(shù)分別為-14 dB和-13 dB,反射系數(shù)<-10 dB的帶寬分別為40 MHz和160 MHz.

圖4 天線的仿真和測量反射系數(shù)Fig.4 The simulation and measurement reflection coefficient of the antenna

圖5 給出了測量的天線輻射方向圖.兩個頻段上,天線的E面和H面主極化具有準(zhǔn)全向特性.低頻段E面主極化比交叉極化大15 dB,H面主極化和交叉極化具有接近的峰值.高頻段E面主極化比交叉極化大45 dB,而H面主極化比交叉極化大20 dB.

圖5 天線輻射方向圖Fig.5 Measured radiation patterns for(a)2.33GHz and(b)5.06 GHz

圖6 給出了天線增益的測量結(jié)果.低頻段最高增益為-6.2 dBi,高頻段最高增益為3.3 dBi.低頻增益較低的原因是低頻時電場的最強(qiáng)區(qū)域在II、III兩部分的開路端,貼片左面最寬端的電場不是最強(qiáng)的,因此降低了輻射能力.

圖6 天線增益:(a)2.4 GHz頻段,(b)5.2 GHz頻段Fig.6 Measured gain in(a)2.4 GHz band and(b)5.2 GHz band

4 結(jié)論

本文提出一種采用SIR結(jié)構(gòu)設(shè)計小型化雙頻天線的方法,通過分析給出了雙頻天線的工作頻率與天線傳輸線模型中傳輸線阻抗比和電長度的關(guān)系式.利用此關(guān)系式,由工作頻率可以直接綜合出天線的尺寸.最后通過設(shè)計實(shí)例驗(yàn)證了方法的有效性.

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Design of Miniaturized Dual-band Antenna Using Stepped Impedance Resonator

MA Run-bo,ZHANG Wen-mei
(School ofPhysics and Electronics Engineering,S hanxi University,Taiyuan030006,China)

A design method of dual-band antenna by using stepped impedance resonator(SIR)is proposed. By establishing the transmission line model of the SIR dual-band antenna,the relation between the two operation frequencies and the characteristics of the transmission lines is obtained.Moreover,a miniaturized 2. 4/5.2 GHz antenna is designed by using the method.The geometry of the designed antenna can be synthesized directly from the operation frequencies.The designed antenna size is 29.3 mm×7.7 mm,about 0.5λ ×0.125λ.Finally,the antenna is simulated and measured,and the results indicate that the design method of dual-band antenna by using SIR is feasible and effective.

radio frequency;stepped impedance resonator;dual-band;antenna

TN828.6

A

0253-2395(2010)02-0233-05

2009-09-24

國家自然科學(xué)基金(60771052)

馬潤波(1974-),男,山西長治人,碩士,研究領(lǐng)域:通信、微波和射頻電路集成.＊通訊聯(lián)系人:zhangwm@sxu. edu.cn