寬帶小型化U型貼片天線的設(shè)計(jì)

陳凱亞,黃宗盛

(西南交通大學(xué) 電磁所,成都 610031)

1 引 言

與多數(shù)傳統(tǒng)天線形式相比,微帶貼片天線[1]具備體積小、重量輕、剖面薄、易集成、易共形、易于加工、造價(jià)低等優(yōu)點(diǎn),廣泛應(yīng)用于移動(dòng)通信系統(tǒng)(GSM、CDMA)、直接廣播系統(tǒng)(DBS)、全球定位系統(tǒng)(GPS)、遙感系統(tǒng)中。另一方面,隨著3G時(shí)代的來臨,通信設(shè)備不斷向小型化、寬帶化發(fā)展,對(duì)天線體積、集成化及帶寬的要求也越來越高。但是,微帶天線的帶寬相對(duì)較窄,因而如何展寬帶寬便成了微帶天線研究的熱點(diǎn)。

1995年,T.Huynh和K.F.Lee首次提出了U形貼片天線的概念[2]。該天線結(jié)構(gòu)簡(jiǎn)單,通過在普通矩形貼片天線的貼片上開出U形槽即可得到。這種結(jié)構(gòu)的微帶天線由于貼片具有U形縫隙,縫隙邊緣電流引入了附加諧振,同時(shí),縫隙也引入了容抗,與探針的感抗相抵消,從而展寬了頻帶。相對(duì)于普通的矩形貼片天線而言,該天線在頻帶寬度上有很大提升,從普通矩形貼片天線的4%～8%提高到了47%,這將使貼片天線得到更廣泛的應(yīng)用。同時(shí),該天線的幾何尺寸也很小,高度僅為2.69 cm。

在這之后,U形貼片天線得到了進(jìn)一步的改進(jìn),以滿足其在許多方面的應(yīng)用。文獻(xiàn)[3]將U形槽開在三角形的貼片上,得到了約18%的阻抗帶寬(工作頻率為1677MHz),而沒有開U形槽的三角形貼片天線的帶寬只有10%。文獻(xiàn)[4]提出的雙U形槽矩形貼片天線同樣可以獲得44%的阻抗帶寬。文獻(xiàn)[5]中提出的U形貼片天線附著在介質(zhì)板的下面,當(dāng)VSWR<2時(shí),可獲得約33%的帶寬。而文獻(xiàn)[6]中提出了一種可用于無線局域網(wǎng)(WLAN)的U形槽加載的雙頻貼片天線,可工作在無線局域網(wǎng)的2.4GHz和5.2GHz兩個(gè)工作頻段。文獻(xiàn)[7]中提出的臂長(zhǎng)不等的1/4波長(zhǎng)U形貼片天線工作于雙頻,由于臂長(zhǎng)不等可以使較低的工作頻段獲得雙模式諧振而展寬帶寬,在兩個(gè)工作頻段上均獲得10%左右的工作帶寬。

U形槽(U-slot)[2]加載己經(jīng)成為展寬微帶天線工作帶寬的重要手段之一,而短路墻加載的方法可用來減小貼片天線的尺寸。本文利用U形槽和短路墻聯(lián)合加載,在實(shí)現(xiàn)貼片天線寬帶化的同時(shí),兼顧了天線的小型化。

在文獻(xiàn)[7]的基礎(chǔ)上,設(shè)計(jì)了一副結(jié)構(gòu)更加簡(jiǎn)單的四分之一波長(zhǎng)U型貼片天線。該天線工作于單頻,阻抗帶寬可達(dá)49%。實(shí)際制作了該貼片天線,使用ROHDE&SCHWARZ ZVB20矢量網(wǎng)絡(luò)分析儀對(duì)天線進(jìn)行了測(cè)試,測(cè)試結(jié)果與仿真結(jié)果基本吻合,驗(yàn)證了設(shè)計(jì)的正確性。

2 天線的結(jié)構(gòu)

天線結(jié)構(gòu)如圖1所示。天線采用同軸探針饋電,同軸線的內(nèi)導(dǎo)體與貼片相連而外導(dǎo)體則與接地面相連,基底為泡沫。加載的短路墻兩端分別連接在金屬貼片和接地面上,見圖中顏色較深部分。

圖1 1/4波長(zhǎng)U形貼片天線的結(jié)構(gòu)Fig.1 The structure of quarter-wave U-shaped patch antenna

3 天線的設(shè)計(jì)與仿真

貼片天線由于其饋電探針?biāo)鶐淼母行噪娍故沟觅N片天線的帶寬很難超過10%,而U型槽加載的方式可以有效降低這種感性電抗使得天線的阻抗帶寬得到展寬。同時(shí),U型槽加載的方式保持了矩形貼片天線結(jié)構(gòu)簡(jiǎn)單的優(yōu)點(diǎn),得到廣泛應(yīng)用。普通的貼片天線都在半波長(zhǎng)諧振,天線的尺寸在半波長(zhǎng)左右。而短路墻加載的方式使天線在四分之一波長(zhǎng)諧振,可以有效減小貼片天線的尺寸,理論上可以減小到原來矩形貼片天線的1/4。本文設(shè)計(jì)的短路墻加載的U型貼片天線,通過U型槽加載使天線實(shí)現(xiàn)雙頻工作,將雙頻比調(diào)整得接近1以展寬天線的工作頻帶。同時(shí),短路墻加載有效減小了貼片天線的尺寸。

首先根據(jù)矩形貼片天線的設(shè)計(jì)公式[8],得到未開U型槽的四分之一矩形貼片的尺寸。四分之一波長(zhǎng)矩形貼片天線的設(shè)計(jì)公式為

式中,L為貼片的長(zhǎng)度,W為貼片的寬度,c為光速,fr為天線的中心頻率,εr為介質(zhì)的相對(duì)介電常數(shù),εe為等效介電常數(shù)[8],Δl為貼片的延伸常數(shù)[8]。本文采用空氣或泡沫作基底,因而εr≈εe≈1,得出天線的長(zhǎng)度和寬度在35mm左右。然后利用Ze-land IE3D 12.0對(duì)天線進(jìn)行建模仿真,得出開了U型槽的貼片天線的諧振特性與各參數(shù)的關(guān)系。f2、f1分別為貼片天線的高低諧振頻率。貼片的長(zhǎng)度 L對(duì)f1、f2均有影響,且此影響呈反比規(guī)律,即當(dāng) L增大時(shí)f1、f2下降。貼片天線的高頻諧振點(diǎn)f2受U形槽寬度W3影響較大,且隨著 W3增大f2下降,而低頻諧振點(diǎn)f1基本不受其影響。U形槽距離短路墻的距離a將影響貼片天線的高頻諧振點(diǎn),且隨著a增大f2升高,而 a對(duì)f1基本沒有影響。文獻(xiàn)[7]曾利用U形貼片天線的兩個(gè)U形臂的不同寬度和長(zhǎng)度在天線的低頻諧振點(diǎn)附近產(chǎn)生另外的諧振,使天線在低頻諧振點(diǎn)工作于雙模式以展寬帶寬。由于不希望多余的諧振點(diǎn)產(chǎn)生,故本文中將兩個(gè)U形臂的寬度和長(zhǎng)度均設(shè)為一樣,即UW1=UW2,UL1=UL2。U形槽的寬度 UW1、UW2對(duì) f2影響較大,且隨著 UW1、UW2增大,f2增大,而f1基本不變。天線的諧振頻率f1、f2均不受U形槽橫向臂寬度b的影響,或者說U形槽橫向臂寬度b對(duì)f1、f2的影響很小。

通過前面的仿真分析,綜合考慮各個(gè)參數(shù)對(duì)天線高低諧振頻率的影響,天線參數(shù)設(shè)計(jì)如表1所示。

表1 天線參數(shù)取值Table 1 The parameters of the antenna 單位:mm

天線的S11曲線仿真結(jié)果如圖2所示。

圖2 1/4波長(zhǎng)U形貼片天線的S11曲線Fig.2 The S11curve of the antenna

從圖2中可以得出,此時(shí)天線的高低諧振頻率已靠得較近,雙頻比接近于1,此時(shí)有效工作頻段為1.52～2.5GHz(S11<-10dB),天線的阻抗帶寬大約為49%。從圖中還可看出,天線工作頻段上從1.59～2.32GHz的部分 VSWR<1.5,諧振特性很好。

4 天線的制作與測(cè)試

該天線結(jié)構(gòu)簡(jiǎn)單,通過對(duì)一塊薄銅片進(jìn)行切割,即可制作出該天線。采用泡沫作支撐基底,利用同軸探針饋電。這樣加工制造的精度較低,由于此時(shí)主要在于驗(yàn)證理論分析的正確性,因而是可取的。該天線加工出的實(shí)物圖如圖3所示。

天線實(shí)測(cè)到的S11曲線如圖4所示。其有效工作頻段為1.5～2.5GHz(S11<-10dB),與計(jì)算機(jī)仿真分析的結(jié)果基本吻合,說明了理論分析的正確性。但由于加工精度的原因并未達(dá)到與仿真結(jié)果完全一致。

圖3 實(shí)際制作出的天線Fig.3 The picture of the antenna

圖4 天線實(shí)測(cè)得到的 S11曲線Fig.4 The S11curve measured of the antenna

5 結(jié)束語

U型槽加載使天線具有雙諧振頻率,通過將天線的諧振頻率調(diào)整得較為接近以展寬天線的工作頻帶,而短路墻加載可以大大減小天線的尺寸。本文即采用U型槽加載和短路墻加載技術(shù),設(shè)計(jì)并制作了一副貼片天線。與文獻(xiàn)[7]中的不等臂U型貼片天線相比,該天線結(jié)構(gòu)簡(jiǎn)單,便于設(shè)計(jì)以及加工制作,同時(shí)方便集成于移動(dòng)通信設(shè)備中。天線的尺寸為29.5mm×40mm×12mm,阻抗帶寬為49%。該天線可應(yīng)用于3G移動(dòng)通信系統(tǒng)中對(duì)天線帶寬和尺寸要求較高的場(chǎng)合。實(shí)際加工出的天線的測(cè)試結(jié)果與理論基本吻合,驗(yàn)證了理論設(shè)計(jì)的正確性,對(duì)于四分之一波長(zhǎng)U型貼片天線的設(shè)計(jì)可以擴(kuò)展到其它頻段以適應(yīng)不同的需求。當(dāng)然,所設(shè)計(jì)天線的高度可通過采用高介電常數(shù)的基底進(jìn)一步降低,將在后續(xù)工作中進(jìn)行相關(guān)方面的研究。

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