一種階梯型雙層微帶貼片天線的優(yōu)化設(shè)計(jì)

朱赟恩， 楊明武

（合肥工業(yè)大學(xué) 電子科學(xué)與應(yīng)用物理學(xué)院，安徽 合肥 230009）

近些年，隨著廣電市場(chǎng)的不斷發(fā)展和需求的不斷提高，廣電服務(wù)運(yùn)營(yíng)商逐漸改變了其原有的服務(wù)模式——從單一的有線電視信號(hào)的服務(wù)模式轉(zhuǎn)變?yōu)樵诙嗍∈性圏c(diǎn)有線電視和寬帶上網(wǎng)的綜合服務(wù)。而在2010年1月13日，國(guó)務(wù)院總理溫家寶主持召開(kāi)國(guó)務(wù)院常務(wù)會(huì)議，決定加快推進(jìn)電信網(wǎng)、廣播電視網(wǎng)和互聯(lián)網(wǎng)三網(wǎng)融合。所謂“三網(wǎng)融合”是指電信網(wǎng)、廣播電視網(wǎng)和計(jì)算機(jī)通信網(wǎng)的相互滲透、互相兼容，并逐步整合成為全世界統(tǒng)一的信息通信網(wǎng)絡(luò)。“三網(wǎng)融合”是為了實(shí)現(xiàn)網(wǎng)絡(luò)資源的共享，避免低水平的重復(fù)建設(shè)，形成適應(yīng)性廣、容易維護(hù)、費(fèi)用低的高速寬帶的多媒體基礎(chǔ)平臺(tái)。因此，在未來(lái)幾年，為了促進(jìn)國(guó)內(nèi)三網(wǎng)融合方案的實(shí)施，必將出現(xiàn)基于無(wú)線載體的系統(tǒng)解決方案。而這種方案需要解決的關(guān)鍵問(wèn)題是研制一種高帶寬天線，該天線不僅要滿足大容量數(shù)據(jù)傳輸?shù)囊?，并且還必須具備以下優(yōu)點(diǎn)［1］以滿足“三網(wǎng)融合”的要求：小型化；成本低，適合大批量生產(chǎn)；有效增益高；匹配方便；組網(wǎng)方便，可進(jìn)行陣列布局，滿足技術(shù)要求；性能穩(wěn)定，抗干擾強(qiáng)，對(duì)外界干擾小。微帶天線不但滿足這些要求，而且在10MHz～50GHz范圍能被廣泛應(yīng)用［2－3］。

目前，采用解決“三網(wǎng)融合”的方案主要為基帶EOC和調(diào)制EOC?；鶐OC主要是硬件壓縮與硬件解碼方案，具有穩(wěn)定、高帶寬利用率、成本低等優(yōu)點(diǎn)，但其帶寬較小，因而不利于傳播高清數(shù)字電視信號(hào)。調(diào)制EOC的優(yōu)點(diǎn)是帶寬較大、布線簡(jiǎn)單，而其缺點(diǎn)是成本較高、系統(tǒng)穩(wěn)定性較差。

隨著家庭、辦公等所要求的網(wǎng)絡(luò)帶寬越來(lái)越寬，高清電視也逐漸成為主流，一種容量大的經(jīng)濟(jì)型天線必將被市場(chǎng)所要求。目前正在普及的HDMI1.3已把帶寬提升到340MHz／10.2Gps［4］，再加之原有的網(wǎng)絡(luò)帶寬等需求，這就要求所設(shè)計(jì)的天線帶寬能夠達(dá)到500MHz以上，其頻點(diǎn)在2.4GHz左右。另外，無(wú)線組網(wǎng)方案能夠有效地解決用戶在傳統(tǒng)的EOC布線下的麻煩，易于移動(dòng)，使用起來(lái)非常方便。

1 階梯型微帶貼片天線

具有等腰直角三角形單元的微帶貼片天線在無(wú)線以太網(wǎng)通信中比較常用。這種天線具有較好的增益和方向性，抗干擾能力強(qiáng)，接收靈敏度也較高，并且在個(gè)人數(shù)據(jù)通信業(yè)務(wù)中能在長(zhǎng)時(shí)間內(nèi)保持良好穩(wěn)定的狀態(tài)。但是該天線的帶寬較窄，一般在50MHz左右，已經(jīng)無(wú)法滿足大容量傳輸?shù)囊?。該天線為地面覆地加層面發(fā)射單元的模式，屬于常規(guī)微帶天線的范疇。本文通過(guò)更改基底和適當(dāng)調(diào)解發(fā)射單元尺寸的方法來(lái)提高天線帶寬，通過(guò)大量合理的仿真分析，提出了一種T型的基底貼片結(jié)構(gòu)，使該天線在2.4GHz頻段的帶寬達(dá)到了500MHz左右。

該微帶貼片天線的結(jié)構(gòu)尺寸如圖1所示。上層為等腰直角三角形結(jié)構(gòu)，斜邊由9個(gè)均勻的直角階梯構(gòu)成，兩腰長(zhǎng)L3＝27mm，饋線距離L1＝15.5mm，饋線長(zhǎng)度L2＝13mm，饋線寬D1＝2.9mm，且階梯尺寸為D2＝3mm。基底是T型結(jié)構(gòu)貼片，L10＝9.25mm，L4＝7.3mm，L8＝2mm，L5＝25.5mm，L9＝5.5mm，L6＝12mm，L7＝10mm。并且基底層的T型貼片的L4結(jié)構(gòu)超出上層階梯型貼片右端距離為D3＝0.1mm，階梯狀等腰直角三角形貼片頂端超出基底層T型貼片頂端的距離為D4＝0.5mm，D5＝1mm。

圖1 天線結(jié)構(gòu)尺寸

該天線實(shí)物是將厚0.03mm的銅覆刻在厚1.6mm，相對(duì)介電常數(shù)εr＝4.6的FR－4基板上制成的，天線實(shí)物如圖2所示。T型底端諧振臂長(zhǎng)度為15.5mm，寬為3mm，材料為厚0.03mm的銅。該天線使用50Ω的同軸線饋電方式。

本文采用安捷倫公司的8722ET矢量網(wǎng)絡(luò)分析儀對(duì)實(shí)物天線進(jìn)行測(cè)試。該網(wǎng)絡(luò)分析儀的掃描帶寬為50MHz～40GHz，50Ω輸入輸出阻抗。對(duì)該天線進(jìn)行測(cè)試時(shí)，選擇掃描帶寬為1～5GHz；用CH1通道單獨(dú)測(cè)試S11參數(shù)；CH2通道關(guān)閉，并且儀器已校準(zhǔn)。測(cè)試環(huán)境為室溫、非屏蔽、無(wú)近場(chǎng)信號(hào)源干擾、無(wú)近場(chǎng)金屬干擾。測(cè)試結(jié)果表明，該天線在S11為－12dB以下帶寬為550MHz左右。

圖2 制成的實(shí)物天線

2 優(yōu)化設(shè)計(jì)

本文采用Yee氏網(wǎng)格方法進(jìn)行建模，用時(shí)域有限差分法（FDTD）軟件對(duì)天線模型進(jìn)行仿真［4－10］。在天線的饋電處理上，根據(jù)阻抗匹配定理［11］，選擇特性阻抗為50Ω的微帶線代替實(shí)際中50Ω的同軸線進(jìn)行饋電。仿真后，得到該天線的S11曲線，并與用網(wǎng)絡(luò)分析儀測(cè)實(shí)物天線所得的結(jié)果進(jìn)行比較，如圖3所示。由圖3可以看出，使用FDTD軟件對(duì)天線進(jìn)行建模仿真所得到的結(jié)果與實(shí)測(cè)結(jié)果一致。由此，在建模時(shí)對(duì)原天線結(jié)構(gòu)尺寸進(jìn)行調(diào)節(jié)，分析各個(gè)尺寸的變化對(duì)天線帶寬以及中心頻率所產(chǎn)生的影響，并對(duì)帶寬和中心頻率的變化加以總結(jié)，進(jìn)一步從建模仿真的角度達(dá)到對(duì)天線帶寬（S11值為－12dB以下帶寬）的優(yōu)化。

圖3 FDTD軟件對(duì)天線建模仿真后的S11曲線與實(shí)測(cè)結(jié)果

首先研究T型結(jié)構(gòu)中L8和L10尺寸對(duì)該天線的帶寬以及中心頻率所產(chǎn)生的影響。在原天線的L10與其他結(jié)構(gòu)尺寸不變的情況下，分別對(duì)L8為1.0、1.5、2.0、2.5mm的 天 線 模 型 進(jìn) 行 仿真，所得結(jié)果如圖4所示。由圖4可以看出，當(dāng)其他尺寸不變時(shí)，隨著L8增大，天線中心頻點(diǎn)向下偏移，帶寬有所增加。

類似地，在原天線的L8＝2mm以及其他結(jié)構(gòu)尺寸不變的情況下，分別對(duì)L10為8.25、9.25、10.25、11.25mm的天線模型仿真后所得結(jié)果如圖5所示。由圖5看出，隨著L10長(zhǎng)度的增加，該天線的帶寬略微變大，而其中心頻率有向下偏移的趨勢(shì)。當(dāng)L10＝11.25mm時(shí)，天線帶寬達(dá)到567MHz。

圖4 L8長(zhǎng)度對(duì)天線S11的影響

圖5 L10長(zhǎng)度對(duì)天線S11的影響

當(dāng)D3＝0.3mm時(shí)，天線在S11為－12dB以下的帶寬能達(dá)到670MHz，但是其中心頻率向上偏移，且不能完全覆蓋2.4GHz頻段。

在原天線基礎(chǔ)上改變貼片階梯結(jié)構(gòu)的尺寸D2和階梯的數(shù)目，對(duì)不同D2值進(jìn)行建模仿真，結(jié)果見(jiàn)表1所列。適當(dāng)增大階梯結(jié)構(gòu)的D2尺寸，能使中心頻率向下偏移。

表1 對(duì)不同D2值的仿真結(jié)果

在通過(guò)研究分析該貼片天線的結(jié)構(gòu)尺寸變化對(duì)天線帶寬以及中心頻率的影響后，總結(jié)了該天線性能隨著貼片結(jié)構(gòu)尺寸變化的規(guī)律。在原天線基礎(chǔ)上，當(dāng)L8＝1.5mm，L10＝11.25mm，階梯尺寸D2＝5.4mm，D3＝0.3mm時(shí)，所得天線通過(guò)建模仿真的結(jié)果如圖6所示。其帶寬能夠達(dá)到700MHz，并且完全覆蓋2.4GHz頻段。

圖6 改進(jìn)天線的S11值

3 結(jié)束語(yǔ)

本文采用Yee氏網(wǎng)格的建模方法，使用FDTD軟件，通過(guò)改變一種階梯型雙層微帶貼片天線的結(jié)構(gòu)尺寸，總結(jié)該天線帶寬與中心頻率變化的規(guī)律。從建模仿真理論的角度上優(yōu)化了天線的帶寬，相對(duì)帶寬達(dá)到了27%，工作頻率覆蓋2.4GHz頻段的同時(shí)達(dá)到了700MHz的帶寬。

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