一種新型寬頻帶多頻微帶天線設(shè)計(jì)*

潘勇，熊江，李潘

(重慶三峽學(xué)院計(jì)算機(jī)科學(xué)與工程學(xué)院，重慶 404100)

1 引言

隨著射頻識(shí)別(Radio Frequency Identification，RFID)、無(wú)線傳感網(wǎng)及移動(dòng)互聯(lián)網(wǎng)的迅速發(fā)展，無(wú)線通信系統(tǒng)成為當(dāng)今研發(fā)的熱點(diǎn)。在射頻識(shí)別標(biāo)簽、無(wú)線傳感節(jié)點(diǎn)以及移動(dòng)智能終端中，天線都是必不可少的關(guān)鍵部件之一。作為實(shí)現(xiàn)電路中的電磁信號(hào)與自由空間中傳播的電磁波相互轉(zhuǎn)換功能的天線，其性能的好壞直接關(guān)系到整個(gè)系統(tǒng)通信質(zhì)量的高低。早期的單頻段通信系統(tǒng)已無(wú)法滿足實(shí)際應(yīng)用的要求，當(dāng)前的無(wú)線通信系統(tǒng)往往涵蓋多個(gè)通信技術(shù)標(biāo)準(zhǔn)，要求能同時(shí)工作在多個(gè)頻段上。

根據(jù)無(wú)線通信系統(tǒng)發(fā)展要求，小型化、寬頻帶、多頻段和智能化已成為天線設(shè)計(jì)新方向。近年來(lái)出現(xiàn)了一些適用于不同通信技術(shù)標(biāo)準(zhǔn)的單頻和雙頻天線，但同時(shí)適用于藍(lán)牙(Bluetooth)、射頻識(shí)別、全球微波無(wú)線互聯(lián)網(wǎng)(WiMAX)和無(wú)線局域網(wǎng)(Wireless Local Area Network，WLAN)這幾大主流物聯(lián)網(wǎng)通信技術(shù)標(biāo)準(zhǔn)的多頻天線設(shè)計(jì)卻相對(duì)較少［1－7］。文獻(xiàn)［2］提出了一款針對(duì)RFID應(yīng)用的天線，文獻(xiàn)［3－4］提出了不同形狀的、可應(yīng)用于WLAN及WiMAX的天線，以上天線均具有較好的輻射特性和帶寬，但天線尺寸都相對(duì)較大，且只具有兩個(gè)頻段。文獻(xiàn)［5－7］所提出的天線相對(duì)尺寸較小，可應(yīng)用于WLAN及WiMAX，但可用頻段依然只有兩個(gè)。本文通過(guò)引入缺陷地結(jié)構(gòu)，設(shè)計(jì)了一款可同時(shí)用于藍(lán)牙/RFID/WiMAX/WLAN的三頻微帶天線。該天線提供了0.11GHz、0.86GHz和1.11GHz 3 個(gè)阻抗帶寬，工作頻段分別為2.38 ～2.49GHz、3.19 ～4.05GHz和4.95 ～ 6.06GHz，諧振頻率分 別為 2.47GHz、3.48GHz和5.55GHz。天線的尺寸為 34.0 × 23.0×1.6mm3。天線由HFSS軟件進(jìn)行仿真并進(jìn)行了實(shí)物制作，實(shí)測(cè)結(jié)果與仿真結(jié)果能很好地匹配。

2 天線設(shè)計(jì)與結(jié)構(gòu)

天線的設(shè)計(jì)過(guò)程以及每個(gè)天線所對(duì)應(yīng)的回波損耗特性如圖1所示。輻射單元長(zhǎng)度的計(jì)算方法是:先由輻射貼片帶線長(zhǎng)度與相應(yīng)饋電帶線長(zhǎng)度之和，即天線有效電長(zhǎng)度，得到輻射單元的初始長(zhǎng)度，再由電磁仿真軟件對(duì)參數(shù)進(jìn)一步優(yōu)化。而天線的有效電長(zhǎng)度約等于天線諧振時(shí)對(duì)應(yīng)工作波長(zhǎng)的二分之一，其計(jì)算可以參考以下經(jīng)驗(yàn)公式［8］:

式中，Leff是天線有效輻射電長(zhǎng)度，單位mm;fres是諧振頻率，單位GHz;εeff為有效介電常數(shù);c是真空中的光速;h和W分別是介質(zhì)板厚度和超小A型(SMA)接頭處微帶線的寬度，單位mm。

圖1 天線的設(shè)計(jì)過(guò)程及對(duì)應(yīng)的回波損耗特性Fig.1 Design evolutions of the proposed antenna and simulated returned loss results

天線最初的設(shè)計(jì)源于天線I，如圖1(a)所示，僅包括一個(gè)矩形環(huán)輻射貼片、一個(gè)由饋電線伸出的矩形諧振條和一個(gè)矩形地板。輻射單元通過(guò)超小A型接頭饋電后，電流從饋電點(diǎn)流經(jīng)帶線直至輻射貼片上部矩形環(huán)的頂端，該電流流經(jīng)的路徑長(zhǎng)為50.5mm(約0.4 λ)。如圖 1(b)所示，此時(shí)天線工作在一個(gè)頻段 2.58 ～ 2.82GHz，諧振頻率為2.69GHz，基本靠近藍(lán)牙工作頻段，但回波損耗參數(shù)不好。通過(guò)在矩形輻射環(huán)里面沿著微帶方向增加兩條矩形帶貼片和一個(gè)開(kāi)口六邊形貼片得到天線II，而天線的面積大小沒(méi)有改變。為了獲得更好的匹配特性，通過(guò)計(jì)算及優(yōu)化，矩形環(huán)和開(kāi)口六邊形環(huán)連接的矩形帶線寬度為0.95mm，此時(shí)電流從饋電點(diǎn)流經(jīng)帶線直至六邊形頂端，該電流流經(jīng)的路徑長(zhǎng)為26.3mm(約0.31 λ)。天線 II產(chǎn)生了3 個(gè)頻段，其阻 抗 帶 寬 分 別 為 2.4 ～ 2.47GHz、3.11 ～3.63GHz、5.1 ～ 5.62GHz，中 心 頻 率 分 別 為2.44GHz、3.29GHz、5.39GHz。前一個(gè)已可覆蓋藍(lán)牙工作頻段，但帶寬比較窄;中間一個(gè)可部分覆蓋WiMAX頻段，但諧振頻率參數(shù)不好;后一個(gè)可覆蓋WLAN的5.1GHz工作頻段，但回波損耗參數(shù)不好。為了改善獲取的3個(gè)工作頻段而引入缺陷接地結(jié)構(gòu)(DGS)，該結(jié)構(gòu)通過(guò)在微帶線接地平面上蝕刻周期性或非周期性圖形，來(lái)改變接地電流的分布，從而改變傳輸線的頻率特性，以實(shí)現(xiàn)改善頻率、抑制諧波、增加帶寬等作用。為了獲得良好的匹配在矩形地板上方采用了拱形地結(jié)構(gòu)，拱形半徑為R1=6.8mm，在拱形里面蝕刻圓形缺陷，缺陷半徑R2=2.0mm。拱形地以及圓形缺陷的尺寸和位置在一定程度上影響了天線的諧振頻率和阻抗帶寬。

通過(guò)在拱形地結(jié)構(gòu)的合適位置蝕刻圓形缺陷，仿真發(fā)現(xiàn)天線III頻段得到了改善，出現(xiàn)了3個(gè)頻段且?guī)捿^寬，匹配較好。此時(shí)，電流從饋電點(diǎn)流經(jīng)帶線直至矩形環(huán)底端，該電流流經(jīng)的路徑長(zhǎng)為11mm(約0.2 λ)。由于缺陷地結(jié)構(gòu)，改變了此處的頻率特性，最終得到覆蓋藍(lán)牙、RFID、WiMAX和WLAN工作頻段的天線?？梢?jiàn)在矩形環(huán)中引入矩形帶狀線和開(kāi)口六邊形環(huán)以及采用缺陷地結(jié)構(gòu)，在沒(méi)有增加整體體積的情況下獲得了性能較好的寬頻帶多頻天線。

圖2是寬頻帶多頻微帶天線的具體設(shè)計(jì)結(jié)構(gòu)。印刷在介質(zhì)基板上的天線的主要輻射單元是一個(gè)矩形輻射環(huán)，兩條連著矩形環(huán)的豎矩形輻射帶，一個(gè)開(kāi)口六邊形輻射環(huán)。天線矩形輻射環(huán)的分段長(zhǎng)度L1=1.0mm、L2=20.4mm和 L3=0.7mm，寬度 W2=19.0mm。輻射環(huán)內(nèi)左右兩條豎矩形輻射帶長(zhǎng)度均為L(zhǎng)6=8.2mm，夾在兩條微帶線中間的矩形諧振條長(zhǎng)度 L4=7.4mm、寬度 W7=1.0mm。

圖2 天線的結(jié)構(gòu)圖Fig.2 Configuration and geometry of the proposed antenna

該天線被印制在相對(duì)介電常數(shù) εr=4.4、介質(zhì)損耗為0.02、厚度為1.6mm的FR4的介質(zhì)板上，采用50 Ω微帶線饋電，微帶線的長(zhǎng)和寬分別是Lf=9.4mm、Wf=3.9mm，介質(zhì)板的尺寸為34.0mm ×23.0mm。天線的詳細(xì)參數(shù)見(jiàn)表1。天線經(jīng)過(guò)優(yōu)化后，實(shí)際制作出的實(shí)物圖如圖3所示。

表1 天線的詳細(xì)尺寸參數(shù)Table 1 Parameters of the proposed antenna

圖3 天線的實(shí)物圖Fig.3 Photograph of fabricated antenna

3 實(shí)驗(yàn)結(jié)果及分析

采用全波仿真軟件HFSS 13.0對(duì)天線進(jìn)行模擬仿真，同時(shí)使用矢量網(wǎng)絡(luò)分析儀在暗室中對(duì)實(shí)際制作的天線進(jìn)行測(cè)試。天線測(cè)試的實(shí)際工作相對(duì)帶寬為 4.45%(2.38 ～ 2.49GHz)、24.71%(3.19 ～4.05GHz)和20.0%(4.95 ～6.06GHz)。圖 4 是此天線仿真與測(cè)試的回波損耗參數(shù)的對(duì)比曲線，從圖上可以看到兩者吻合度較高，而兩者的誤差可能是由天線制作和實(shí)驗(yàn)設(shè)備測(cè)試的誤差引起的。天線在諧振點(diǎn)處的回波損耗分別為 －27.4dB、－33.7dB和 －36.5dB，顯示出天線良好的匹配特性。圖 5 是天線在2.45GHz、3.5GHz和5.5GHz時(shí)分別在E面和H面的方向圖，仿真與測(cè)試結(jié)果的吻合度也比較高。

圖4 仿真與測(cè)試的回波損耗Fig.4 Simulated and measured return losses of the proposed antenna

圖5 天線在 2.45GHz、3.5GHz、5.5GHz時(shí)分別在E面、H面的方向圖Fig.5 Simulated and measured radiation patterns at 2.45GHz，3.5GHz，and 5.5GHz in the E plane and H plane

圖6 給 出 了 天 線 在 2.45GHz、3.5GHz和5.5GHz時(shí)的表面電流分布。如圖6(a)所示，電流既分布在外矩形環(huán)上還分布在內(nèi)部的開(kāi)口六邊形上，可見(jiàn)2.45GHz時(shí)電流路徑是最長(zhǎng)的。如圖6(b)所示，天線工作在3.5GHz，電流主要分布在內(nèi)部開(kāi)口六邊形上，外矩形環(huán)的電流強(qiáng)度很弱。如圖6(c)所示，天線工作在5.5GHz，電流主要分布在外矩形環(huán)下半部，此時(shí)電流路徑是最短的。

圖6 天線在 2.45GHz、3.5GHz和 5.5GHz的表面電流Fig.6 Simulated surface current distribution at 2.45GHz，3.5GHz and 5.5GHz

圖7為天線在工作頻帶內(nèi)的增益仿真與測(cè)試結(jié)果。在 2.3 ～2.5GHz頻段，最大增益為為4.17dBi，在2.3GHz時(shí)取得。增益變化僅為0.25dBi，天線的增益相對(duì)穩(wěn)定。在3.2～4.2GHz頻段，增益變化為0.66dBi，天線的增益同樣相對(duì)穩(wěn)定，4.2GHz時(shí)增益最大為3.61dBi。與前兩個(gè)頻段相比，天線在4.7～ 6.0GHz頻段增益變化較大，為1.55dBi，在5.9GHz時(shí)獲得最大增益為5.75dBi。天線增益的測(cè)試與仿真結(jié)果吻合較好。

圖7 天線在工作頻帶內(nèi)的增益Fig.7 Simulated and measured gains of the proposed antenna

以WLAN應(yīng)用為例，文獻(xiàn)［4］天線增益分別為2.11dBi和2.55dBi，文獻(xiàn)［5］天線增益最高為3.1dBi，最低只有2.6dBi左右，本文設(shè)計(jì)天線在WLAN工作頻段增益最低為3.7dBi，最高達(dá)到5.75dBi，增益滿足無(wú)線通信的要求。同時(shí)，本文設(shè)計(jì)天線帶寬較寬，完全覆蓋所需工作頻段，其中3.5GHz和5.5GHz實(shí)際工作的相對(duì)帶寬均達(dá)到了20%及以上。

4 結(jié)束語(yǔ)

本文提出了一種小型化寬頻帶多頻微帶天線，可同時(shí)工作在藍(lán)牙、RFID、WLAN和WiMAX的通信頻段。該天線主要由一個(gè)矩形環(huán)、三條豎矩形帶、一個(gè)開(kāi)口六邊形環(huán)以及缺陷地組成。在保證天線尺寸的情況下，通過(guò)在矩形環(huán)里沿微帶線增加矩形帶和開(kāi)口六邊形環(huán)，同時(shí)改進(jìn)地板為帶圓形缺陷的拱形結(jié)構(gòu)來(lái)獲得3個(gè)阻抗匹配良好的頻段。天線提供了0.11GHz(2.38 ～ 2.49GHz)、0.86GHz(3.19 ～4.05GHz)和1.11GHz(4.95 ～ 6.06GHz)3 個(gè)阻抗帶寬，諧振頻率分別為2.47GHz、3.48GHz和5.55GHz，增益分別達(dá)到4.17dBi、3.61dBi和5.75dBi。天線具備小尺寸、高增益、輻射特性較好等優(yōu)點(diǎn)，適用于當(dāng)前應(yīng)用的無(wú)線通信系統(tǒng)。

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