一种容性馈电宽带微带天线的设计与分析

郭 戈,邵建兴

(重庆邮电大学光电工程学院,重庆 400065)

1 引 言

随着无线通信技术的迅猛发展,对于体积小、频带宽的天线需求日益增强。微带天线具有结构简单、低剖面和重量轻等显著优点,非常适合应用于无线通信系统。但是,传统微带天线的带宽通常都小于5%,不能达到现代通信对于带宽的需求。此外,传统微带天线的谐振长度接近半波长,使得其体积过大,也不利于实际应用。通信业务的层出不穷也要求单个天线可以同时满足多个通信标准的要求,从而达到更好的经济性。

近年来,出现了很多展宽频带和减小微带天线体积的方法,如:将辐射贴片的一边接地,在贴片上开槽,辐射贴片与接地板之间使用短路探针和改良的耦合馈电方式等。使用短路面的方法可以有效减小辐射片的体积,但是单一使用这种方法的微带天线带宽也只有5%左右[1]。用在辐射贴片上开槽的方法,改变原有表面电流路径可以达到展宽频带的目的[2]。短路探针的使用可以改善输入阻抗的匹配,从而得到较宽的带宽[3]。使用改进后的耦合馈电方式可以获得接近30%的带宽[4]。

本文在继承传统微带天线优点的基础上,设计并分析了一种综合应用容性馈电贴片、短路板和短路探针的宽带微带天线。该天线的整体尺寸为58mm×51mm×21mm,频带范围为1.6～2.59GHz,同时覆盖多个无线通信应用的工作频段,如小灵通1880～1930MHz、蓝牙2402～2480MHz、WLAN (Wireless Local Area Network)2400～ 2483MHz、DCS(Digital Cellular Service)1710～1785MHz及1805～ 1880MHz和 PCS(Personal Communications Service)1850～1910MHz及1930～1990MHz,从而提高了实际应用的经济性。

2 天线设计

2.1 天线结构设计

在天线的结构方面,容性馈电贴片的引入可以改善同轴馈电带来的输入阻抗的不匹配,短路板和短路探针可有效地展宽频带并且减小天线的体积。考虑以上因素,设计出天线的结构如图1所示。

图1 天线结构图Fig.1 Antenna geometry

天线采用单层矩形辐射贴片,在-y方向将主辐射贴片短接到接地板,行成一个垂直于接地板的短路面。短路探针将主辐射贴片与接地板短接起来。在馈电方式上,同轴馈电铜芯的馈电点选为矩形容性馈电贴片的对角线交点。容性馈电贴片通过耦合作用来激励主辐射贴片,并与其共面两者之间的间隙为D。该天线在主辐射贴片与接地板之间采用泡沫介质(相对介电常数εr=1,接近于空气介质),不但可以获得理想的天线带宽,而且可以固定和支撑主辐射贴片,便于天线的集成和安装。

2.2 天线尺寸计算

拟设计的天线工作频段位于300～3500MHz的射频频段,设计指标:中心频率 f0=2GHz;带宽BW≥30%;回波损耗 S11<-10dB。

应用常规矩形微带天线的求解公式可以确定主辐射贴片的基本尺寸,以及介质基板的厚度H[5]:

式中,L1、W1分别为天线主辐射贴片的长和宽,c为光速,εe为介质等效介电常数,ΔL为天线的伸长量。当天线驻波比 VSRW≤2.0时,微带天线带宽(MHz)的经验公式可以表示为

在实际工程应用中,当接地板宽度满足:

即可将接地板视为无限大。

综合以上各公式可以计算出天线的尺寸,其中接地板尺寸为:WG×LG=78mm×100mm,其它计算和优化调整过的天线尺寸参数见表1。

表1 设计天线的尺寸参数Table 1 Dimensions of the proposed antenna 单位:mm

3 仿真与分析

采用基于有限元法的Ansoft HFSS高频仿真软件对本文设计的天线进行仿真。天线的回波损耗仿真结果如图2所示,天线的相对带宽达到47.3%(S11<-10dB),频段为1.6～2.59GHz,实际工作带宽接近1GHz。3个谐振频率分别位于1.64GHz、1.95GHz和2.41GHz,该天线获得的宽带特性归功于这3个谐振频率。

图2 表1尺寸的天线回波损耗Fig.2 Return loss of the proposed antenna with dimensions in Table1

由于微带天线贴片上的表面电流分布直接影响到天线的性能,所以为了进一步分析该天线的特性,对该天线在1.8GHz和2.4GHz这两个主要工作频率下、相位均为180°时的表面电流分布进行仿真和分析。如图3所示,表面电流在短路面上较少分布,主要分布在主辐射贴片上,尤其是集中在容性馈电贴片和短路探针附近。通过对比图3(a)和(b),1.8GHz和2.4GHz两个频率的表面电流分布的灰度及密度可以发现,集中在靠近容性馈电贴片附近的表面电流无论在强度还是密度方面都没有明显变化,所以容性馈电贴片对天线在这两个频率性能的影响具有普遍性。而短路探针附近的表面电流变化则明显得多,尤其是当天线工作在2.4GHz时,短路探针附近的表面电流强度明显高于其它部分,但1.8GHz时短路探针附近的表面电流相比之下明显较弱。所以可以预测:容性馈电贴片至少会对天线1.8GHz和2.4GHz两个工作频率的性能造成影响;天线在2.4GHz时,短路探针会对天线性能造成影响。

通过改变LC、WC和D 3个参数,对天线进行了大量的仿真分析。从图4中天线回波损耗图可以看出,不同的容性馈电贴片长度LC,不是仅会对天线在1.8GHz和2.4GHz时的回波损耗值产生影响,而是对于天线的整个频段的回波损耗都产生影响。分析参数WC和D对天线性能影响的仿真结果也可以得到相同的结论。这些结论证明前述第一点表面电流分析预测的正确性。

图3 主辐射贴片和短路面上的表面电流分布Fig.3 Surface current distributions on shorting wall and main part of patch

图4 改变容性馈电贴片参数LC的仿真对比Fig.4 Return loss of the proposed antenna in terms of LC

对于短路探针对天线性能的影响,本文选取短接在主辐射贴片与接地板之间大量不同位置短路探针的天线进行仿真分析,结果见表2。从仿真结果可以看出,通过调整短路探针的位置,天线工作在1.8GHz时辐射方向图基本不受影响,主瓣方向始终位于-12°～12°这个较窄的范围内,方向性比较稳定。而天线工作在2.4GHz时,天线受到短路探针位置调整的影响,其主瓣方向的区间为-68°～48°,变化较大。这与前述第二点表面电流分析的预测相符。

为保持天线在两个工作频率的辐射方向具有一致性,所以应该选取主瓣方向相差较小的短路探针位置。显然,位置1符合上述要求,因此也将该点的参数作为优化后的参数列入表1。由图5所示的该天线(尺寸如表1所示)辐射方向图,在1.8GHz、1.9GHz和2.4GHz 3个工作频率的主瓣方向分别为-12°、-14°和12°,半功率波瓣宽度为 -46°～ 11°、-54°～ 12°和 -1°～ 37°,天线的辐射方向保持较好的一致性。该天线的增益如图6所示,天线在主要工作频段(1.7～2GHz和2.4～2.483GHz)的平均增益分别为6.3dB和7.7dB,差值小于3dB。

表2 短路探针在不同位置的方向图仿真结果Table 2 The simulated radiation patterns of the proposed antenna with shift of shorting post

图5 表1尺寸的天线辐射方向图Fig.5 The radiation patterns of the proposed antenna with dimensions in Table 1

图6 天线的增益Fig.6 Gain of the proposed antenna

4 结 论

对一种综合运用容性馈电贴片、短路面和短路探针的宽带微带天线进行了设计和分析。多种技术的应用不但显著地拓展了天线的带宽,而且还有效地减小了天线体积。对该天线的性能进行了详细的分析,其中表面电流的分析与仿真结果相一致,说明容性馈电贴片可对天线整体性能造成影响,而短路探针的位置可对天线的辐射方向进行调节,以达到辐射方向的一致性。该天线的宽带特性可同时满足多个通信标准的应用,达到良好的经济性。

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