采用阶跃阻抗谐振器的小型化双频天线

马润波,张文梅

采用阶跃阻抗谐振器的小型化双频天线

马润波,张文梅＊

(山西大学物理电子工程学院,山西太原030006)

提出一种采用阶跃阻抗谐振器(SIR)设计双频天线的方法.通过建立天线的传输线模型,得到了双频天线的工作频率与传输线特性的关系式.然后,利用该方法设计了一个2.4/5.2 GHz的小型化双频天线,其结构尺寸由工作频率直接综合得到.同时用电磁全波仿真,优化了天线的馈电位置.所实现的天线尺寸为29.3 mm×7.7 mm,相当于0.5λ×0.125λ.仿真和测试结果表明,采用阶跃阻抗谐振器设计双频天线的方法是可行且有效的.

射频;阶跃阻抗谐振器;双频;天线

0 引言

随着多标准移动通信终端的飞速发展,国内外学者对双频段或多频段天线进行了大量的研究工作,提出了很多实现方法和结构.针对无线局域网应用中的双频段或多频段天线,文献[1]提出了采用双L形缝隙的实现方法,而文献[2]和[3]分别设计了小型化的微带馈电共面天线和印刷单极子天线.一种利用较小地平面上寄生参数的三角形贴片双频天线在文献[4]中提出.文献[5]则提出两种印刷倒F天线,一种将倒F天线的尾部进行螺旋处理,另一种将馈电结构变为耦合形式.文献[6]提出了一种工作于多频段的阶跃阻抗贴片天线,它的结构接近二分之一波长的阶跃阻抗谐振器(SIR),其中天线贴片尺寸通过优化得到.

本文提出了一种同轴馈电的小型化双频天线,其结构接近四分之一波长SIR.SIR由两种不同特性阻抗的传输线组成[7],一般应用于滤波器设计中[8,9].SIR的基本谐振频率和第一杂散频率可以通过改变传输线的电长度和阻抗比来调整,可以利用这个特点来设计双频天线.文中首先通过分析天线的传输线模型,给出了两个工作频率与天线结构中传输线阻抗比和电长度的关系.然后,利用本方法设计了一个工作频率为2.4/ 5.2 GHz的双频天线,其结构尺寸可以根据工作频率直接综合得到,并在此基础上进行了修正.接着,按照设计尺寸对天线进行了电磁全波仿真,在分析了馈电点位置对天线输入阻抗的影响后确定了合适的馈电点位置.最后,对设计天线进行了制作和测量,验证了所提出设计方法的有效性.

1 设计原理

图1(a)(P234)给出SIR双频天线的原理结构,顶层为辐射贴片,中间为介质层,底层为天线地.贴片由三部分组成,I部分是宽金属贴片,右端通过金属接地带连接到地层,其特性阻抗和电长度分别为Z1、θ1,II和III部分对称地分布在I部分的两边,两部分的特性阻抗和电长度均为Z2、θ2.为减小整个结构的尺寸,将II和III部分进行弯曲.设天线的工作频率为f0和fs1.

忽略阻抗阶跃非连续性及开路端的边缘电容,得到天线的传输线模型如图1(b)所示,天线左端面导纳Yres为,

当Yres=0时,得谐振条件

进一步得

图1 SIR双频天线,(a)原理结构,(b)传输线模型Fig.1 Proposed SIR dual-band Antenna,(a)Structure,(b)transmission line model

可以看到,谐振条件取决于电长度θ1、θ2和阻抗比RZ.须注意这里阻抗比RZ定义为Z2/(2Z1),和文献[7]中的标准四分之一SIR的阻抗比定义(Z2/Z1)有区别.这是因为在本结构中特性阻抗为Z2的传输线有两条,并联后阻抗为Z2/2,从而这里的阻抗比形式上是标准SIR阻抗比的一半.另外,当θ1=θ2≡θ0时,总电长度θ1+θ2最小[7],由公式(3)得

可以看出,当天线的第一工作频率为f0时,贴片的I、II、III部分电长度可从公式(4)得到.另外,设第二谐振频率为fS1,那么f0和fS1的关系为[7]

可见,I、II、III的阻抗和电长度确定后,贴片的两个谐振频率f0和fS1也随着确定了;经同轴向贴片馈送信号后,在f0和fS1频率上会产生谐振.由于贴片I部分左端为宽开路端,这里能够形成强辐射,从而实现双频天线功能.反之,如果给定贴片的f0和fS1,可以由公式(5)得到阻抗比,然后利用公式(4)就可以确定天线各部分的电长度.

2 2.4/5.2GHz双频天线设计实例

下面通过设计一个2.4/5.2 GHz双频天线来说明利用SIR结构设计双频天线的方法和步骤.设计中采用FR4介质板,介电常数ε=4.4,厚度h=1.52 mm.

首先,将f0=2.4 GHz和fS1=5.2 GHz代入公式(5),得RZ=2.343.再利用公式(4),得到贴片各部分电长度为θ1=θ2=56.8°.

然后,为提高辐射能力,将Z1设定为介质板上可实现的较小值,如Z1=15Ω.由前面得到的阻抗比RZ,计算得Z2=70.3Ω.由各部分特征阻抗和电长度,利用软件Ansoft Designer SV综合得到各部分的物理尺寸:I部分长度为lS1=9.92 mm,宽度为w1=15.05 mm,II和III部分长度为lS2=11.05 mm,宽度为w2=1. 53 mm.

最后,按照图2(P235)(a)的布局布置和连接贴片的各部分,根据图2(b)、(c)的电流模式和天线的辐射特点,对贴片各部分的长度进行修正.I部分右端经短路带接地,短路带等效长度为0.5h.另外,考虑贴片左端辐射缝隙宽度约h[10],根据图2(b)给出5.2 GHz时贴片上的电流模式,I部分顶层贴片长度l1应取为lS1 -1.5h=7.65 mm.II和III部分的长度主要影响天线的第一个工作频率,根据图2(c)给出的2.4 GHz电流模式可知,l2和l3应满足,

将l1=lS1-1.5h代入公式(6)得由此确定l2+l3=12.6 mm.为缩短纵向尺寸,l2应该取较小值,但过小会使长度为l3的部分与I部分间产生耦合而影响特性.折中考虑,取l2=5.5 mm,l3=7.1 mm.这样得到的天线贴片尺寸为29.3 mm×7.7 mm,相当于0.5λ×0.125λ,λ为2.4 GHz对应波长.

图2 (a)顶层贴片结构,(b)5.2 GHz电流模式,(c)2.4 GHz电流模式Fig.2 (a)Geometry of the patch on top layer,current patterns for(b)5.2 GHz and(c)2.4 GHz

3 仿真和测量结果

天线的谐振频率主要由各部分长度和宽度决定,同时还会受到馈电点位置的影响,图3给出天线输入阻抗随lp变化的仿真结果.可以看到,天线输入阻抗虚部随lp增加而变化范围增加,并在2.4 GHz和5.2 GHz处接近于0,说明天线可以在这两个频率处形成谐振.同时,在2.4 GHz和5.2 GHz处,天线输入阻抗实部随lp增加而增加,且低频处的最大值小于高频处的最大值.为使输入阻抗和馈电端口阻抗在2.4 GHz和5.2 GHz两处的匹配都较好,取lp=3.5 mm.

图3 不同lp时天线的输入阻抗Fig.3 Input impedance of the SIR antenna for differentlp

所设计的天线在FR4基板上实现,测量结果如图4、5、6(P236)所示.图4给出了仿真和测量的反射系数,二者比较吻合.测量的天线工作频率在2.33 GHz和5.06 GHz,略低于仿真的2.4 GHz和5.2 GHz,这是由于实际介质和设计介质的介电常数存在偏差造成的.天线在两个频率上的反射系数分别为-14 dB和-13 dB,反射系数<-10 dB的带宽分别为40 MHz和160 MHz.

图4 天线的仿真和测量反射系数Fig.4 The simulation and measurement reflection coefficient of the antenna

图5 给出了测量的天线辐射方向图.两个频段上,天线的E面和H面主极化具有准全向特性.低频段E面主极化比交叉极化大15 dB,H面主极化和交叉极化具有接近的峰值.高频段E面主极化比交叉极化大45 dB,而H面主极化比交叉极化大20 dB.

图5 天线辐射方向图Fig.5 Measured radiation patterns for(a)2.33GHz and(b)5.06 GHz

图6 给出了天线增益的测量结果.低频段最高增益为-6.2 dBi,高频段最高增益为3.3 dBi.低频增益较低的原因是低频时电场的最强区域在II、III两部分的开路端,贴片左面最宽端的电场不是最强的,因此降低了辐射能力.

图6 天线增益:(a)2.4 GHz频段,(b)5.2 GHz频段Fig.6 Measured gain in(a)2.4 GHz band and(b)5.2 GHz band

4 结论

本文提出一种采用SIR结构设计小型化双频天线的方法,通过分析给出了双频天线的工作频率与天线传输线模型中传输线阻抗比和电长度的关系式.利用此关系式,由工作频率可以直接综合出天线的尺寸.最后通过设计实例验证了方法的有效性.

[1] KIM T H,PARK D C.Compact Dual-Band Antenna with Double L-Slits for WLAN Operations[J].I EEE A ntennas and Wireless Propagation Letters,2005,4:249-252.

[2] RAJ R K,JOSEPH M,AANANDAN C K,et al.A New Compact Microstrip-Fed Dual-Band Coplanar Antenna for WLAN Applications[J].I EEE Trans.A ntennas and Propag,2006,54(12):3755-3762.

[3] SONG Y,JOAP Y C,ZHAO H,et al.Compact Printed Monopole Antenna for Multiband WLAN Applications[J].Microwave and Optical Technology Letters,2008,50(2):365-367.

[4] LIU L,ZHU S,LANGL EY R.Dual-band Triangular Patch Antenna with Modified Ground Plane[J].Electronics Lett, 2007,43(3):140-141.

[5] WANG Y S,L EE M C,CHUNG S J.Two PIFA-Related Miniaturized Dual-Band Antennas[J].I EEE Trans.A ntennas and Propag,2007,55(3):805-811.

[6] AVRILLON S,MAHE Y,CHOUSSEAUD A,et al.Multi-standard patch antenna based on stepped impedance microstrip [C].A ntennas and Propagation Society International S ymposium,2004,3:3103-3106.

[7] SAGAWA M,MAKIMOTO M,YAMASHITA S.Geometrical Structures and Fundamental Characteristics of Microwave Stepped-impedance Resonators[J].I EEE Trans.Microw.Theory Tech,1997,45(7):1078-1085.

[8] LIN S C,DENG P H,LIN Y S,et al.Wide-Stopband Microstrip Bandpass Filters Using Dissimilar Quarter-Wavelength Stepped-Impedance Resonators[J].I EEE Trans.Microw.Theory Tech,2006,54(3):1011-1018.

[9] ZHANG Y P,SUN M.Dual-Band Microstrip Bandpass Filter Using Stepped-Impedance Resonators with New Coupling Schemes[J].I EEE Trans Microw Theory and Tech,2006,54(10):3779-3785.

[10] BHARTIA P,BAHL I,GARG R,et al.Microstrip Antenna Design Handbook[M].London:Artech House Publishers, 2000.

Design of Miniaturized Dual-band Antenna Using Stepped Impedance Resonator

MA Run-bo,ZHANG Wen-mei
(School ofPhysics and Electronics Engineering,S hanxi University,Taiyuan030006,China)

A design method of dual-band antenna by using stepped impedance resonator(SIR)is proposed. By establishing the transmission line model of the SIR dual-band antenna,the relation between the two operation frequencies and the characteristics of the transmission lines is obtained.Moreover,a miniaturized 2. 4/5.2 GHz antenna is designed by using the method.The geometry of the designed antenna can be synthesized directly from the operation frequencies.The designed antenna size is 29.3 mm×7.7 mm,about 0.5λ ×0.125λ.Finally,the antenna is simulated and measured,and the results indicate that the design method of dual-band antenna by using SIR is feasible and effective.

radio frequency;stepped impedance resonator;dual-band;antenna

TN828.6

A

0253-2395(2010)02-0233-05

2009-09-24

国家自然科学基金(60771052)

马润波(1974-),男,山西长治人,硕士,研究领域:通信、微波和射频电路集成.＊通讯联系人:zhangwm@sxu. edu.cn