一种小型半U型缝折叠超宽带微带天线

史志玮 ,刘运林,张 文

(1.西南交通大学 电磁场与微波研究所,成都 610031;2.内江师范学院 工程技术学院,四川 内江641112)

1 引 言

当今无线通信技术快速发展,推动着通信系统向小型化、集成化以及高性能化方向发展。天线作为通信系统中发射和接收无线信号关键性设备,其性能将对通信系统产生最直接的影响。2002年2月,美国联邦通信协会(FCC)通过决议,规定超宽带的频率范围定义为从3.1 GHz到10.6 GHz,并且规定:除了用于雷达、安全应用等领域处,还可以应用于穿透成像、汽车雷达、通信、测量、短距离无线通信和GPR(Ground Penetrating Radar)等众多场合,这使超宽带通信技术成为短距离、高速度民用无线通信系统中很有前景的解决方案,引起了工业界、学术界的极大研究热情[1],作为通信系统中的重要部件的超宽带天线,也就成为超宽带技术的一个研究热点和难点。

近年来,研究人员对超宽带天线的设计开展了大量的研究工作[2-5],其中大多为平行于接地板结构,以超宽带平面印制单极子微带天线[2]或接地板宽缝隙结构[3-5]居多,馈电方式一般为微带线馈电或共面波导馈电。文献[3]提出了一种对接地板开出矩形宽缝隙结构,提高了阻抗带宽。文献[4]提出一种基于平面倒锥天线概念的印制缝隙天线,实现了超宽带特性。文献[5]提出一种改进的小型平面倒锥缝隙天线,天线尺寸有了一定的减小;对提出的天线进行了仿真分析,结果显示天线带宽为2.2～16 GHz。这些天线设计具有超宽带特性,但其天线尺寸较大,相对波长尺寸约为0.5λg,需要进一步缩减,且此类型的超宽带天线无法与具有金属背板器件集成。

天线的小型化宽带研究还有四分之一波长宽带U型槽短路墙加载技术[6-7],或短路针加载方法[7-8]。折叠宽带微带贴片天线[9]使与同轴馈线相连的辐射贴片向接地板弯折,减小馈电探针的长度,从而减小探针引入的电感,使天线的带宽增加。文献[10]提出了半U型缝隙贴片天线,根据天线辐射贴片上电流对称原理,缩减一半天线尺寸,不会改变贴片上电流的分布,使之具有与全尺寸的微带贴片天线近似的阻抗带宽、增益、方向图等电特性。

本文综合文献[6-10]中的短路墙加载、U型缝贴片结构、半尺寸结构、折叠贴片天线方法等,设计了一种小型半U型缝隙超宽带折叠微带贴片天线,实测天线带宽为50.5%,比文献[10]中带宽14.6%提高35.9%,相比文献[6]四分之一波长U型缝隙天线,相对尺寸更小,带宽增加23.5%。

2 天线结构设计

微带天线是一种谐振式天线,通过增加天线介质的厚度来降低其等效电路中的Q值,可以使天线带宽增加。但同轴馈线内芯长度增加会使电感增加而减小带宽,使用折叠贴片馈电方法可以解决这一矛盾。另外,一些贴片天线能具有宽带的主要原因是天线有两个相互接近的谐振频率,如U型槽矩形天线。根据电流对称原理,减小一半天线尺寸,半U型槽矩形天线也具有双频特性并能形成宽带[10]。

本文提出一种小型半U型缝隙折叠超宽带微带天线,结构如图1所示,该天线尺寸为 a×b,具有双层结构,与同轴线馈电相连的辐射贴片高度h1小于上层辐射贴片的高度 h2。上层辐射贴片在距离右侧边缘k处被剪裁出一个c×d的矩形开口。天线的左侧,采用短路墙加载将上层辐射贴片与地板相连接。下层辐射贴片尺寸为e×f,其右端采用短路墙加载将上下层辐射贴片连接在一起,就像是将上层贴片天线在这个部分进行了一个折叠一样,即图上所示的折叠部分。从俯视图上看,下层的辐射贴片与上层辐射贴片之间存在一个半U形的缝隙。天线采用50 Ψ同轴线馈电,馈电点的位置设置在x方向靠近辐射贴片边缘,在y方向距离天线下层辐射贴片与上层辐射贴片短路墙x处。

图1 天线结构图Fig.1 Structure of the antenna

3 天线仿真与测试结果分析

通过调整贴片参数,改变缝隙位置、缝隙宽度,以及两层辐射贴片高度,得到了四分之一波长小型化超宽带微带天线。优化后的天线参数值如表1所示。

表1 天线的参数值Table 1 The value of parameters

根据表1中的参数值制作了天线模型,如图2所示,并使用矢量网络分析仪Agilent E5071C对天线的阻抗带宽进行了测量。天线的仿真与实测输入阻抗带宽对比如图3所示。从仿真结果看,天线电压驻波比在2以下的阻抗带宽为4.3～6.4 GHz。天线在整个工作频段内有两个谐振频率点,分别位于4.6 GHz和6.1 GHz。天线具有2.1 GHz绝对带宽及39.3%的相对带宽。以仿真带宽的低频点4.3 GHz计算,天线的尺寸为 0.26λg×0.11λg。实测结果显示天线在3.86～6.47GHz频段上电压驻波比小于2,具有2.61 GHz绝对带宽和50.5%相对带宽。实测天线的低频谐振频率要比仿真得到的低频谐振小,以实测带宽的低频点3.86 GHz计算,天线的相对波长尺寸为0.23λg×0.10λg。仿真带宽曲线与实测带宽曲线在小于6.5 GHz的部分吻合得非常好。值得注意的是,天线从3.53 GHz到矢量网络分析仪Agilent E5071C的最大量程8.5 GHz频段上的电压驻波比小于3,可以满足工程应用的需求,带宽超过82.6%。误差主要来源于天线手工制作时精度不够引起的误差,还与测量仪器本身的精度及测量环境等有关。

图2 天线实物模型Fig.2 The fabricatedmodel of the antenna

图3 天线仿真与实测带阻抗带宽对比Fig.3 The comparison between the simulated and measured results

图4 为天线在两个谐振频率上的电流分布仿真示意图。天线工作在低谐振频率4.6 GHz时,电流主要在上层辐射贴片沿路径L1分布,此时电流路径长度为谐振频率所对应波长的1/4。天线工作在高频谐振频率6.1 GHz时,辐射贴片上电流主要沿两条路径分布,一路从上层贴片开口处向左流向接地板,即路径L2,路径长度为谐振频率所对应波长的1/4,另一路从开口处向右,从上层辐射贴片经折叠短路面流向下层辐射贴片,即路径L3。路径L3长度约为谐振频率所对应波长的1/2。从图上可以看出,沿路径L3分布的电流比沿路径L2分布的电流大得多,对天线高频工作时辐射起主要作用。

图4 天线谐振频率上的电流分布Fig.4 The current distribution of the antenna at resonant frequencies

图 5 为天线 在 4.4 GHz、5 GHz、5.6 GHz和6.2 GHz上的仿真辐射方向图。实线代表天线的XOZ面辐射方向图,虚线代表天线的YOZ面辐射方向图。从图中可以看到,尽管该天线的工作带宽超过50%,天线在整个频段中的辐射性能基本保持稳定,并没有剧烈的波动。天线在XOZ面辐射方向图在低频变化比较平缓,在0°有一定的衰减,在180°左右天线的辐射最小。当天线频率提高到6.2 GHz时,出现了一些畸变和失真。XOZ面最大辐射方向在-30°到-90°方向上。YOZ面的辐射方向图同XOZ 面类似,最大辐射方向在-30°到-90°方向;在低频上基本保持辐射的稳定,在高频上 YOZ面在90°到180°方向有一些畸变和失真。产生的原因可能是天线尺寸小,高频时电流在贴片上的分布不均 匀造成的。

图5 天线的辐射方向图Fig.5 The radiation patterns of the antenna

天线的增益仿真曲线如图6所示。可见,天线的增益随着频率的升高而升高,主要原因是在低频时,天线经馈电耦合由上层辐射贴片向外辐射信号,频率升高后天线向外辐射是由上层贴片与下层辐射贴片共同作用。该天线在工作带宽上的平均增益约为4.3 dB,最大增益约为5.8 dB,增益的变化范围小于2.6 dB。天线增益在工作带宽上变化比较平缓,波动范围较小,有利于信号的传输。

图6 天线的增益Fig.6 The gain of the antenna

4 结 论

本文提出了一种适用于超宽带应用的小型半U型缝折叠贴片天线。该天线通过增加天线高度、采用折叠贴片及半U型缝隙结构等技术,减小了天线尺寸,增加了天线带宽;采用同轴线馈电方式,可以与具有金属背板的设备集成,具有抗金属性。仿真优化了天线参数,并制作了天线实物模型,使用矢量网络分析仪E5071C测量了天线的阻抗带宽。天线整体尺寸为18 mm×7.5 mm×7 mm,相对尺寸为0.23λg×0.10λg×0.09λg,经过测量,天线可以工作在3.86～6.47 GHz,绝对带宽为2.61 GHz,相对带宽为50.53%。天线在3.53 GHz到超过8.5 GHz频段上的电压驻波比小于3,可以满足工程应用的需求,带宽超过82.6%。仿真辐射方向图在天线带宽范围内在基本保持稳定,具有近似的全向辐射特性且天线在带宽上具有3～5.8 dB的增益性能。此天线结构简单,成本低,易于制造和集成在移动通信设备中。天线绝对尺寸可通过填充介质进一步缩减,填充介质后天线的特性可以作进一步研究。

[1]ReedF H.An introduction to Ultra WidebandCommunication Systems[M].New York:Prentice Hall Press,2005.

[2]Reza Z,Abdolali A.A very compact ultrawideband printed omnidirectional monopole antenna[J].IEEE Antennas and Wireless Propagation Letters,2010(9):471-473.

[3]Bao X L,Ammann M J.Printed Band-Rejection UWB Antenna with H-shpaed Slot[C]//Proceedings of 2007 International Workshop on Antenna Technology:Small and Smart Artennas Metamaterials and Applications.Cambridge:IEEE,2007:319-322.

[4]Cheng S,Rydberg A.Printed Slot Planar Inverted Cone Antenna for Ultrawideband Applications[J].IEEEAntennas and Wireless Propagation Letters,2008(7):18-21.

[5]张倩,刘运林,李智勇,等.一种改进的小型化超宽带平面倒锥缝隙天线[J].电讯技术,2010,50(11):85-89.ZHANG Qian,LIU Yun-lin,LI Zhi-yong,et al.A Modified Miniature Ultrawideband(UWB)Printed PICA-like Solt Antenna[J].Telecommunication Engineering,2010,50(11):85-89.(in Chinese)

[6]Guo Y X,Shackelford A,Lee K,et al.Broadband quarterwavelength patch antennas with a u-shaped slot[J].Microwave and Optical Technology Letters,2001,28(5):328-330.

[7]Shackelford A K,Lee K F,Luk K M.Design of small-size wideband microstrip-patch antennas[J].IEEE Antennas PropagationMagazine,2003,45(1):75-83.

[8]Shackelford A K,Lee K F,Luk K M,et al.U-slot patch antenna with shorting pin[J].ElectronicsLetter,2001,37(12):729-730.

[9]Chiu Y,Wong H,Chan C H.Study of small wideband folded-patch-feed antennas[J].IET Microwave Antennas Propagation,2007,1(2):501-505.

[10]Deshmukh A A,Kumar G.Half u-slot loaded rectangular microstrip antenna[C]//Proceedings of 2003 International Symposium on Antennas and Propagation Society.Columbus,OH:IEEE,2003:876-879.