一種可應(yīng)用于物聯(lián)網(wǎng)的高增益雙頻定向天線的設(shè)計(jì)與分析

張夢(mèng)怡，王 田

（1.南京工業(yè)大學(xué) 電氣工程與控制科學(xué)學(xué)院，江蘇 南京 211800；2.北京航空航天大學(xué) 自動(dòng)化科學(xué)與電氣工程學(xué)院，北京 100191）

0 引 言

物聯(lián)網(wǎng)（Internet of Thing）是在互聯(lián)網(wǎng)基礎(chǔ)上的延伸和擴(kuò)展的網(wǎng)絡(luò)，其用戶的終端擴(kuò)展到了物品，任何物品都能成為智能終端[1]。WiFi/WLAN作為無(wú)線通信技術(shù)快速發(fā)展的產(chǎn)物，得到了很廣泛的應(yīng)用，是未來物聯(lián)網(wǎng)系統(tǒng)最熱門的應(yīng)用互聯(lián)技術(shù)之一。應(yīng)用于該技術(shù)頻段（2.4～2.483 GHz/5.15～5.875 GHz）的雙頻天線在近幾年也得到了很大的發(fā)展[2-7]。但是，這些應(yīng)用于終端設(shè)備的天線大部分都具有全向的輻射特性，從發(fā)射設(shè)備的角度考慮，由于要實(shí)現(xiàn)點(diǎn)對(duì)點(diǎn)的通信，或者由于安裝環(huán)境的影響，設(shè)備背后通常會(huì)有個(gè)比較大的反射地板，此時(shí)則要求天線具有非常良好的定向輻射特性，以滿足通信的需求。對(duì)于雙頻定向天線而言，國(guó)內(nèi)外都有廣泛的研究[8-10]，但是這些天線都存在一些缺點(diǎn)，比如頻帶不夠?qū)?，增益不夠大，體積不夠小等。

本文在前人的研究基礎(chǔ)上提出一種新型的雙頻定向天線結(jié)構(gòu)，該天線結(jié)構(gòu)采用微帶線耦合饋電的方式進(jìn)行饋電，使用一對(duì)長(zhǎng)的和一對(duì)短的印刷型對(duì)稱振子，分別諧振在低頻和高頻頻段來實(shí)現(xiàn)雙頻輻射，大大提高了天線集成度。通過加載封閉的金屬背腔，實(shí)現(xiàn)了定向輻射的特性，也進(jìn)一步提高了天線的增益，滿足了無(wú)線設(shè)備對(duì)高增益定向天線的需求。電磁仿真軟件的仿真結(jié)果表明，該天線結(jié)構(gòu)在2.4～2.5 GHz以及5.0～6.0 GHz頻帶范圍內(nèi)能實(shí)現(xiàn)良好的定向輻射特性。

1 天線結(jié)構(gòu)

天線結(jié)構(gòu)如圖1所示，其采用了印制電路板（Printed Circuit Board，PCB）技術(shù)，將輻射振子結(jié)構(gòu)印制在厚度為0.5 mm，相對(duì)介電常數(shù)εr=2.2的介質(zhì)基板的兩面。天線包含一對(duì)長(zhǎng)印刷振子和兩對(duì)短印刷振子，長(zhǎng)印刷振子的長(zhǎng)度l1=28.3 mm，設(shè)計(jì)諧振在2.4 GHz頻段，短印刷振子的長(zhǎng)度l2=13.3 mm，設(shè)計(jì)諧振在5 GHz頻段，兩短印刷振子之間的距離l4=21.2 mm。兩個(gè)輻射振子結(jié)構(gòu)都印刷在介質(zhì)基板的同一面上，距離g=1 mm。

圖1 天線結(jié)構(gòu)圖Fig.1 Diagram of antenna structure

為了拓展天線的工作帶寬，該天線采用微帶線耦合饋電的方式對(duì)輻射振子結(jié)構(gòu)進(jìn)行饋電，耦合饋電微帶線的長(zhǎng)度l3=11.5 mm，輻射振子結(jié)構(gòu)的臂作為微帶線的地。50 Ω饋電同軸線內(nèi)同軸連接耦合饋電微帶線，外同軸連接輻射振子臂。通過將該天線結(jié)構(gòu)放置在長(zhǎng)、寬、高和厚度分別為80 mm，120 mm，12 mm和1 mm的金屬腔內(nèi)，實(shí)現(xiàn)天線結(jié)構(gòu)定向的輻射特性。微波介質(zhì)基板一方面作為印刷天線結(jié)構(gòu)的介質(zhì)基板，另一方面又可作為整個(gè)天線的蓋板，實(shí)現(xiàn)保護(hù)天線的功能。該天線的其他結(jié)構(gòu)參數(shù)分別為：w1=5.4 mm，w2=2.1 mm，w3=6.1 mm，w4=1.6 mm。

2 設(shè)計(jì)與分析

天線的工作原理如圖2所示，該天線可以分成兩部分：一部分是工作于低頻段的長(zhǎng)印刷對(duì)稱振子；另外一部分是工作于高頻段的短印刷振子對(duì)。通過將兩長(zhǎng)短輻射振子相結(jié)合，從而實(shí)現(xiàn)雙頻輻射的特性。為了滿足定向輻射的要求，在天線的一面加載了反射地板。一般來說，為了實(shí)現(xiàn)定向輻射，反射板與輻射天線之間的距離h應(yīng)在λ4附近，這樣反射波才能和原輻射波在另一面進(jìn)行電場(chǎng)疊加，從而實(shí)現(xiàn)定向輻射，并提高天線的增益。但對(duì)于該雙頻天線來說，由于兩個(gè)頻段的波長(zhǎng)相差比較大，反射板與天線的距離h無(wú)法同時(shí)滿足兩個(gè)頻段的波長(zhǎng)諧振需求，所以兩個(gè)諧振單元必然會(huì)互相影響各自頻段的天線輻射特性或者阻抗特性。在這里由于低頻段的諧振單元對(duì)阻抗帶寬的要求比較窄，所以優(yōu)先選擇反射地板到天線的距離h在高頻段λ4附近。

圖2 天線工作原理圖Fig.2 Working principle of antenna

首先對(duì)構(gòu)成天線結(jié)構(gòu)的兩個(gè)振子單元分別進(jìn)行射頻性能仿真，然后再將二者結(jié)合成組合結(jié)構(gòu)進(jìn)行仿真，將三者的仿真數(shù)據(jù)進(jìn)行比較，比較結(jié)果如圖3所示。其中，在軟件設(shè)置當(dāng)中，三個(gè)天線單元都采用離散端口進(jìn)行饋電。通過三者的性能比較可以看出，將兩種振子結(jié)構(gòu)進(jìn)行組合后的天線結(jié)構(gòu)能夠同時(shí)工作在所設(shè)計(jì)的兩個(gè)工作頻段，在兩個(gè)頻段都能夠有效進(jìn)行諧振輻射，這證實(shí)了天線設(shè)計(jì)思路的正確性。

圖3 天線單元輸入端口反射系數(shù)的仿真結(jié)果Fig.3 Simulation results of reflection coefficient at input port of antenna cell

圖4給出了天線單元在不同工作頻段下的表面電流的仿真結(jié)果。從圖4中可以看到，當(dāng)天線工作在2.4 GHz頻段時(shí)，天線的表面電流集中在長(zhǎng)振子臂上；當(dāng)天線工作在5 GHz頻段時(shí)，天線的表面電流集中在短振子臂上。這與之前的設(shè)計(jì)思路相符合，同時(shí)也進(jìn)一步證明了天線的工作原理。

從上面組合后的雙頻印刷天線輸入端口反射系數(shù)的仿真結(jié)果可以看出，其工作帶寬還不能滿足通信的要求。為了更進(jìn)一步拓展該天線結(jié)構(gòu)的工作帶寬，這里采用微帶耦合線的饋電形式對(duì)天線進(jìn)行饋電。射頻輸入信號(hào)通過50 Ω同軸線饋入天線，同軸線的內(nèi)同軸結(jié)構(gòu)連接耦合微帶線，外同軸結(jié)構(gòu)連接印刷振子的一臂，低頻印刷振子臂一方面作為輻射振子臂，另一方面作為地板，耦合微帶線通過電磁耦合的作用，給另一振子臂進(jìn)行饋電。而對(duì)于高頻印刷振子來說，射頻信號(hào)還需經(jīng)過一印刷平衡雙線，再給兩高頻振子臂饋電，這種饋電形式簡(jiǎn)單可靠，能夠有效地提高天線的工作帶寬，在很寬的工作頻段內(nèi)實(shí)現(xiàn)較為良好的阻抗匹配。

圖4 單元天線表面電流仿真結(jié)果Fig.4 Simulation results of antenna surface current

通過使用CST Microwave Studio?電磁仿真軟件對(duì)該天線結(jié)構(gòu)的各項(xiàng)尺寸參數(shù)進(jìn)行仿真和優(yōu)化，調(diào)整天線的各項(xiàng)性能，通過優(yōu)化后天線輸入端口反射系數(shù)的仿真結(jié)果如圖5所示。

圖5 優(yōu)化后天線輸入端口反射系數(shù)的仿真結(jié)果Fig.5 Simulation result of optimized reflection coefficient at input port of antenna

從仿真結(jié)果可以看出，天線輸入端口反射系數(shù)在2.4～2.5 GHz頻段和5.0～6.0 GHz頻段范圍內(nèi)都小于-10 dB。同時(shí)又給出了天線的歸一化輻射方向圖和增益的仿真結(jié)果，分別如圖6和圖7所示。可以看出，該天線在2.4 GHz和5 GHz兩個(gè)工作頻段內(nèi)都具有良好的定向輻射特性，而且各頻段的天線輻射增益分別能達(dá)到9 dB和10.5 dB，能夠同時(shí)滿足雙頻工作的需求。

3 結(jié) 論

本文設(shè)計(jì)了一種高增益雙頻定向天線，該天線使用印刷型對(duì)稱振子作為輻射單元，采用金屬背腔結(jié)構(gòu)的形式實(shí)現(xiàn)定向輻射以及高增益特性。使用CST Microwave Studio?電磁仿真軟件對(duì)該天線結(jié)構(gòu)的各項(xiàng)尺寸參數(shù)進(jìn)行仿真和優(yōu)化工作，仿真結(jié)果表明，該天線在2.4～2.5 GHz以及5.0～6.0 GHz的工作頻帶范圍內(nèi)，駐波系數(shù)小于2.0，各自頻段所對(duì)應(yīng)的天線輻射增益分別能達(dá)到9 dB和10.5 dB。該天線具有良好的雙頻高增益定向輻射特性，且結(jié)構(gòu)簡(jiǎn)單、尺寸小、剖面低、易于加工組裝，應(yīng)用范圍十分廣泛，可以應(yīng)用于物聯(lián)網(wǎng)系統(tǒng)中。

圖6 天線歸一化輻射方向圖的仿真結(jié)果Fig.6 Simulation results of normalized radiation pattern of antenna

圖7 天線增益的仿真結(jié)果Fig.7 Simulation result of antenna gain