基于集總電容加載技術(shù)的小型化槽天線研究

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(浙江理工大學(xué)信息學(xué)院，杭州 310018)

基于集總電容加載技術(shù)的小型化槽天線研究

程巍，戴豪宇，楊俊秀，李霖

(浙江理工大學(xué)信息學(xué)院，杭州 310018)

提出了一種加載集總電容的小型化槽天線設(shè)計方案，首先給出該槽天線的物理結(jié)構(gòu)和對應(yīng)的等效傳輸線模型；其次依據(jù)電路模型推導(dǎo)出容性加載槽天線的諧振條件；然后由理論分析表明加載集總電容的槽天線具有更低的諧振頻率，所提出的容性加載槽天線實現(xiàn)了小型化效果；最后通過建立電磁仿真和電路板制作驗證方案的可行性。采用以上方法設(shè)計了一個中心頻率為900 MHz、帶寬為5.4%、增益為4.24 dBi的小型化槽天線。傳輸線模型、電磁仿真與實物測量結(jié)果表明，通過加載集總電容設(shè)計的槽天線體積比未加載電容的槽天線體積減小了42%，有效地實現(xiàn)了槽天線的小型化。

容性加載；槽線；等效電路

0 引 言

無線通信技術(shù)的高速發(fā)展對無線通信系統(tǒng)提出了更高的要求。電小天線作為無線通信系統(tǒng)的重要組成部分，在很大程度上影響著通信系統(tǒng)的性能。因此研究電小天線的小型化具有重要的價值。槽線具備小型化、低成本和易于集成等優(yōu)點，近年來已成為實現(xiàn)小型化天線設(shè)計的重要方式，并已在天線設(shè)計中得到應(yīng)用[1-3]。Caekenberghe等[1]采用感性加載折疊槽線實現(xiàn)了槽天線的小型化設(shè)計，但是采用該方法設(shè)計的天線增益較低。張壹等[2]、張梅等[3]、Wang等[4]和Chen等[5]分別采用碟形開口槽、方形環(huán)加載槽、階躍阻抗槽和C型環(huán)嵌入式槽實現(xiàn)了槽天線的小型化設(shè)計，然而他們設(shè)計的槽天線電路尺寸還有待進一步減小。Wang等[6]通過引入兩個電容提出了一種短于八分之一波長的開口槽天線設(shè)計方法，然而這種槽天線只能應(yīng)用于天線結(jié)構(gòu)的介質(zhì)板邊緣。Scardelletti等[7]和游灝等[8]分別采用容性加載槽和阻性加載槽實現(xiàn)了槽天線的小型化設(shè)計，但是以上方法設(shè)計的槽天線尺寸分別只減小了22%和35%。

本文提出了一種容性加載槽天線設(shè)計方案，與文獻[7-8]中不同的是，本文的設(shè)計中在槽線中心位置加載了一個集總電容。本文首先建立了槽天線的等效電路模型，通過分析等效電路模型推導(dǎo)槽天線結(jié)構(gòu)的諧振條件；然后通過等效電路的理論對本文的設(shè)計方案進行分析；最后通過高頻結(jié)構(gòu)仿真器(high frequency structure simulator，HFSS)仿真和電路板制作及測試驗證方案的可行性。

1 槽線結(jié)構(gòu)的建模與理論分析

本文設(shè)計的容性加載槽天線的三維物理結(jié)構(gòu)如圖1所示。該結(jié)構(gòu)由一段50 Ω短路微帶線和一段槽線組成。與傳統(tǒng)的側(cè)饋槽天線類似，槽線是由介質(zhì)板底部金屬接地平面中蝕刻出的槽縫構(gòu)成，槽線的物理長寬分別為Ls和Ws，微帶饋線的物理寬度為W50。槽線饋電位置離槽線右端點距離為L1。與傳統(tǒng)的側(cè)饋槽天線不同的是，該天線結(jié)構(gòu)在槽線中點處加載了一個集總電容。

圖1 容性加載槽天線物理結(jié)構(gòu)

采用文獻[9-10]中類似的方法，該天線結(jié)構(gòu)可以用圖2中的等效傳輸線模型來表示。如圖2所示，槽線可以等效為特性阻抗為Zs、電長度為θ的傳輸線。該段傳輸線被微帶饋線和集總電容分為三個部分，其中電長度θ1、θ2和θ3分別對應(yīng)槽線的物理長度L1、L2與L3。另外，由于電容在槽線中心位置，因此存在以下的關(guān)系式：θ1+θ2=θ3=θ/2。電容C表示集總電容器的電容量。電阻R則表示該天線的輻射電阻、金屬損耗和介電損耗等所有電阻效應(yīng)。

圖2 槽天線等效傳輸線模型

根據(jù)電磁仿真結(jié)果，通過優(yōu)化擬合可提取出等效電路中的所有參數(shù)值。首先，在HFSS中單獨仿真未加載電容的槽線獲得槽線的特性阻抗Zs和電長度θ的值；其次，對側(cè)饋容性加載槽線進行電磁仿真。通過曲線擬合方法從電磁仿真中提取電阻R的最優(yōu)值。

本文為驗證等效傳輸線模型的可行性，首先在HFSS軟件中建立物理模型進行電磁仿真，然后在先進設(shè)計系統(tǒng)(advanced design system，ADS)中建立等效傳輸線模型進行電路仿真，仿真結(jié)果如圖3所示。圖3對比分析了電容值C不同時，電磁仿真與傳輸線模型仿真的回波損耗(S11)。槽天線的幾何參數(shù)如表1所示，整個天線結(jié)構(gòu)的地面尺寸為150 mm×120 mm。對應(yīng)的等效電路提取出的參數(shù)值如表2所示。觀察圖3可知：電磁仿真和傳輸線模型仿真之間有著很好的一致性，表明所提出的傳輸線模型可用于表示該天線結(jié)構(gòu)的諧振特性。

圖3 當(dāng)加載電容C值不同時，傳輸線模型與電磁仿真的S參數(shù)

參數(shù)/mmHW50WsL1L2L3值0.81.54.09.036.045.0

注：H為槽天線結(jié)構(gòu)介質(zhì)板的厚度。

表2 等效電路模型提取出的參數(shù)(C=1.2 pF)

假設(shè)槽線結(jié)構(gòu)無損，并且忽略所有的不連續(xù)性效應(yīng)和輻射損耗等因素，則槽線結(jié)構(gòu)的輸入導(dǎo)納可以推導(dǎo)如下：

(1)

通常情況下，當(dāng)Im(Yin)=0時，槽天線工作在諧振頻率處。從式(1)可推導(dǎo)出諧振條件應(yīng)滿足下列公式：

ZsπfCtanθ3=1

(2)

由式(2)可知，存在無窮多組頻率解。但是考慮到天線尺寸的小型化，在天線設(shè)計中優(yōu)先選擇最小諧振條件處對應(yīng)的頻率解。

令fr0為槽的自然基本諧振頻率，那么在fr0處，θ3約為π/2。如果將fr1定義為式(2)的最低頻解，則顯然存在fr1

為了進一步研究集總電容C對槽天線小型化的影響，首先在物理模型和傳輸線模型仿真中分別改變加載電容值的大小，得到加載電容值與諧振頻率之間的關(guān)系，然后由Matlab繪制出諧振頻率與加載電容值C的關(guān)系曲線。圖4顯示了電磁仿真和傳輸線模型仿真中頻率fr1與加載電容C的關(guān)系曲線。傳輸線模型仿真與電磁仿真具有很好的一致性。如圖4所示，加載電容值C越大，則諧振頻率fr1越小。因此，較大的電容C有利于槽天線尺寸的小型化。此外，如果選擇適當(dāng)?shù)碾娙葜?，諧振頻率可以降低到未加載電容時槽線體積的一半。然而，天線增益和阻抗帶寬將隨著電容C的增加而減小。

圖4 傳輸線模型仿真與電磁仿真中頻率fr1與加載電容C的關(guān)系曲線

由式(1)可知，通過調(diào)整饋電位置(θ1)可以靈活地調(diào)整槽天線輸入導(dǎo)納的實部。這種調(diào)整對天線諧振頻率的輸入導(dǎo)納虛部沒有影響。輸入匹配的方法即通過選擇不同的饋電位置對輸入阻抗曲線進行調(diào)試，其中L1=5、10、15 mm和20 mm，對應(yīng)等效電路中的θ1分別為8°、13°、19°和25°。如圖5所示，通過調(diào)節(jié)饋電位置可獲得槽天線的輸入匹配。

圖5 選擇不同的饋電位置時，電磁仿真與傳輸線模型仿真中的輸入阻抗值

根據(jù)以上理論分析，當(dāng)預(yù)先確定槽線寬度時，容性加載槽天線的設(shè)計可按照以下步驟進行：

a) 設(shè)計一個無負載槽天線在工作頻率處諧振，并使其槽線長度約為半波長；

b) 對無負載槽線進行電磁仿真，提取出槽線的特性阻抗Zs;

c) 由式(2)中槽線諧振條件下預(yù)期的小型化尺寸計算所需加載電容值的大小；

d) 選擇合適標(biāo)準(zhǔn)的陶瓷電容，使其電容值接近理論計算的電容值C;

e) 由式(1)中推導(dǎo)出θ1和對應(yīng)的L1值;

f) 調(diào)整槽天線結(jié)構(gòu)的尺寸，使得電磁仿真與傳輸線模型結(jié)果達成一致。

2 容性加載槽天線的制作與測量

圖6 側(cè)饋槽天線的實物照片

電磁仿真和實物測量的回波損耗(S11)如圖7所示。天線的回波損耗測試使用的儀器是Agilent 8510 C矢量網(wǎng)絡(luò)分析儀。首先校準(zhǔn)矢量網(wǎng)絡(luò)分析儀，設(shè)置中心頻率、測量范圍等相關(guān)參數(shù)；然后通過射頻線將天線電路板與矢量網(wǎng)絡(luò)分析儀連接好即可測得天線的回波損耗。通過圖7中的曲線可知，電磁仿真與實物測量的S11在0～2 GHz的頻率范圍內(nèi)基本一致。測量的中心頻率為915 MHz，-10 dB阻抗帶寬約為5.4%。在中心頻率915 MHz處，測量的S11<-25 dB。電磁仿真與實物測量的xoz平面和yoz平面輻射圖如圖8所示。天線的輻射圖是在微波暗室的測試環(huán)境下測量得到的，測試系統(tǒng)采用的是SG24多探頭測量方案，噪底為-66 dB。在微波暗室條件下，首先信號源在中心頻率900 MHz處產(chǎn)生射頻信號，被測的天線電路板放置在喇叭天線正對面的旋轉(zhuǎn)臺上，其次由天線喇叭將射頻信號輻射出去，通過調(diào)整天線電路板放置的角度分別測量xoz面和yoz面的方向圖，最后由頻譜儀分析被測天線的頻譜特性。通過圖8中的曲線可知，在中心頻率915 MHz處測得的峰值增益為4.24 dBi，測量結(jié)果表明該天線在中心頻率處具有良好的輻射特性。由于制造誤差以及SMA連接器的插入損耗，電磁仿真和實物測量的中心頻率和方向圖之間產(chǎn)生了一些微小的差異。電磁仿真與實物測量結(jié)果表明，通過在槽線中間加載1.2 pF集總電容，該天線可工作在915 MHz，有效降低了槽天線的諧振頻率，并且改善了槽天線在低頻端的輻射特性，獲得了一個較好的增益與帶寬。測量結(jié)果驗證了該設(shè)計方法的可行性與準(zhǔn)確性。

圖7 電磁仿真與實物測量的回波損耗(S11)

圖8 電磁仿真(虛線)與實物測量(實線)的輻射圖

對所提出的側(cè)饋槽天線與其他文獻中提出的槽天線性能的比較結(jié)果見表3。如表3所示，本文設(shè)計的側(cè)饋槽天線在電路尺寸、帶寬和增益之間有一個較好的平衡。雖然所提出的槽天線電路尺寸大于文獻[1]和[6]中所提出的槽天線，但是相比于其他槽天線，本文中提出的槽天線具有更寬的帶寬以及除文獻[7]以外較高的峰值增益。此外，當(dāng)加載更大的電容時，所提出的槽天線尺寸仍然可以進一步減小。

表3 槽天線性能對比

3 結(jié) 論

本文提出了一種基于集總電容加載技術(shù)的小型化槽天線設(shè)計方案，等效電路分析、電磁仿真和實物測量表明：采用該結(jié)構(gòu)可有效實現(xiàn)槽天線電路尺寸的小型化，并且該結(jié)構(gòu)可應(yīng)用于集成電路與無線通信設(shè)備中。與傳統(tǒng)的無負載側(cè)饋槽天線相比，通過在槽線中心處加載1.2 pF集總電容，使得容性加載槽天線的尺寸在相同的工作頻率下降低了42%。

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StudyonSmallSlotAntennaBasedonlumpedCapacitanceLoadingTechnology

CHENGWei，DAIHaoyu，YANGJunxiu，LILin

(School of Information Science and Technology, Zhejiang Sci-Tech University, Hangzhou 310018, China)

In this study, the small slot antenna which is used to load lumped capacitance was presented and investigated. Firstly, physical structure of the slot antenna and corresponding equivalent transmission line model were given. Secondly, the resonance condition of the capacitive loaded slot antenna was investigated intensively. Thirdly, the theoretical analysis revealed that the proposed antenna has a lower resonant frequency. Thus the proposed capacitive loaded slot antenna exhibits size-reduction effect. Finally, the feasibility of the method was well verified by electromagnetic simulation and circuit board making. A miniaturized capacitive loaded slot antenna with the center frequency of 900 MHz, the bandwidth of 5.4% and peak gain of 4.24 dBi was designed by using the above method. The results of transmission line model, electromagnetic simulation and physical measurement indicated that the size of the proposed capacitive loaded slot antenna decreases by 42%, and miniaturization of slot antenna is achieved effectively.

capacitive load; slot antenna; equivalent circuit

10.3969/j.issn.1673-3851.2017.11.014

2017-06-27 網(wǎng)絡(luò)出版日期： 2017-10-10

浙江省教育廳科研項目(Y201329492)

程 巍(1993-)，女，湖北孝感人，碩士研究生，主要從事微波電路設(shè)計、天線技術(shù)的研究。

李 霖，E-mail:lilin_door@hotmail.com

TN713+.5

A

1673- 3851 (2017) 06- 0838- 05

(責(zé)任編輯：康鋒)