一种四频段多L型缝隙天线研究与设计

冯雪健　杨利霞　丁元赫　郭鹏良　王吉利

(江苏大学计算机科学与通信工程学院通信工程系,镇江 212013)



一种四频段多L型缝隙天线研究与设计

冯雪健杨利霞丁元赫郭鹏良王吉利

(江苏大学计算机科学与通信工程学院通信工程系,镇江 212013)

摘要设计了一款共面波导馈电的多L型缝隙天线．通过在一个三角形辐射贴片上开L形缝隙实现多频的性能,优化调整L形缝隙的大小以及相关参数可以灵活控制其每个频段的带宽．该天线具有多频带、小型化等特性,通过共面波导馈电和采用高介电常数基板的方法降低了天线的谐振频率,使得天线可以工作在更低频段．通过电磁仿真软件HFSS13.0对天线性能进行大量仿真实验与计算,该天线在回波损耗小于-10 dB以下时,其工作频段为1.254～1.276 GHz、1.537～1.623 GHz、1.804～1.845 GHz、2.097～3 GHz．该天线的结构简单、易于加工实现,能够满足GPS、第三代第四代移动终端内置天线的小型化和多频段的要求．

关键词微带天线;缝隙天线;多频;共面波导

引言

近几年,随着技术的革新和发展,新的无线通信标准层出不穷．这些标准的推出,势必要求通信设备也跟着不断改良,一般要求天线设备工作在双频或者多频的系统当中[1-3]．当前的内置手机天线一般要求覆盖多种移动通信系统GSM/3G/4G．随着4G通信技术的不断发展,越来越多的无线频段被制定,这就需要天线能够工作在更多的频段上[4-7]．

最常见的小型化多频天线的设计是基于平面倒F天线和普通单极子天线,这类天线因其制作容易、设计容易,对提高系统的集成度很有好处,得到了广泛的应用[8]．不过,这类天线一般对外设要求条件比较高,尤其是体积大的金属外壳,这就要求所设计的天线能够和外设的金属外壳有着很好的融合集成,这样不但使得设计难度降低和调试工作量减少,而且还可以充分利用射频电路板上现成的大面积屏蔽导体减弱外界干扰、提高通信系统的集成度．因此,缝隙微带天线[9-10]的发明弥补了传统天线的缺点．

目前,缝隙天线理论的研究已经相当成熟,缝隙天线因其设计简单、结构紧凑、辐射性能良好等优点已经被广泛应用于各种无线通信系统．单一的缝隙天线虽然表现出良好的性能,但是有着阻抗带宽窄以及单一谐振频段的限制,在很多需要天线工作多频的场合大大限制了其应用．目前,缝隙天线的研究重点和热点在于如何实现多频化和宽频带以及单一贴片上多个缝隙的协同工作等问题．

文献[11-12]利用宽缝隙设计的方式实现了多频化和宽频带,但是随着缝隙的尺寸变大,缝隙周围接触的屏蔽导体的面积也在增大,这势必导致天线的尺寸变大,这和现如今微带天线的小型化发展趋势相违背．目前,既能保证微带缝隙天线的小型化又能实现多频性能的研究成果尚不多见．本文在微带缝隙天线的理论基础上,设计了一款结构新颖、尺寸紧凑微型化且具有多频工作性能的微带天线．通过在一个贴片的不同位置合理地开三个L形缝隙,该天线不仅可以获得多频的工作特性,还可以通过调节L型缝隙的尺寸参数灵活控制缝隙天线的谐振频率特性．

1天线的结构分析

图1显示了所设计天线的结构,该天线的辐射贴片和接地板是印刷在介质基板的一个面上,通过对三角形辐射贴片靠近边沿的位置开三个L形的缝隙结构达到设计要求．该天线的馈电方式选用共面波导馈电,两块接地板与辐射贴片在介质板的同一面上,分布在中间馈线的两侧,该馈电方式的好处在于辐射贴片和接地板在同一个面上,这样可以很好地融合在其他的微波电路中．整个介质板尺寸大小为Ws×Ls×Hs．该天线采用介质板材料为Rogers R03210,其介电常数εr=10.2,损耗角正切tanδ=0.005,厚度Hs为1.5 mm．该种材料的介质基板容易制作且具有良好的物理特性,耐热性能良好,在微带天线的设计中被使用广泛．为达到微带馈电线与天线的50 Ω的阻抗匹配,通过仿真分析最终确定馈线宽度选择Wf=4 mm,接地板和馈线之间的空隙宽度为1 mm．

图1　天线的结构图

2仿真优化分析及实测结果对比

为研究L型缝隙对天线工作性能的影响,对天线在开缝隙的前后进行了优化仿真分析,具体分析可分以下几种情况:

2.1缝隙L1对天线性能的影响

当在三角型辐射贴片只开缝隙L1时,改变缝隙L1的结构参数L11的大小,设定L11的变化范围为22～24 mm,研究三角形贴片底边对天线的影响,仿真结果如图2所示.

图2　只有缝隙L1时的仿真回波损耗

由图2可以看出,当在辐射贴片上只开缝隙L1时,仿真结果会在中心频点1.3 GHz和2.1 GHz频点激励出两个频段．在HFSS中调节L1缝隙参数L11的大小,使其从22 mm变化到24 mm,尺寸间隔设为1 mm,得到天线的回波损耗随L11的变化曲线如图2所示．由仿真图可以看出,L11为22 mm和24 mm时,天线的谐振频率均偏离到1.268 GHz,随着L11的变大,天线的谐振频率向左偏移,但是对后一频段基本无影响．L11为23 mm时,谐振频率达到预期频率,且回波损耗达到了-40 dB,故L11为23 mm为最佳长度．对缝隙L1其他参数进行优化仿真,发现对回波损耗基本无影响．

2.2缝隙L2对天线性能的影响

在辐射贴片上增加缝隙L2,研究三角形贴片底边对天线的影响,缝隙L1的结构参数选择最佳参数,仿真结果如图3所示．

从图3仿真结果可以看出,增加了缝隙L2之后,由之前的二频段变为三频段．由此可见通过在辐射贴片上合理增加缝隙,可以实现多频的工作特性．

图3　增加不同L型缝隙仿真结果对比图

2.3缝隙L3对天线性能的影响

在辐射贴片上增加缝隙L3,缝隙L1和缝隙L2的结构参数选择最佳参数,改变缝隙L3参数L32的大小,仿真结果如图4所示.

研究缝隙L3对天线回波损耗的影响．仿真运行后得到S11参数随L32的变化曲线如图4所示．从图4中可以看出,增加缝隙L3以后,在1.6 GHz左右出现了一个新的谐振点,随着L32长度的变大,在谐振频点1.6 GHz附近会有变化,会向左偏移,但是不是很显著,但是对谐振频点1.8 GHz附近影响较大,随着L32的变大,在1.8 GHz附近的谐振频点向左偏移,但对其他的两个频段基本无影响．综合考虑对天线频率的影响,得出L32的最优值为12 mm．

前面已对天线的结构进行了分析,为使天线可以同时工作在GPS、第三代及第四代移动通信系统．结合微带天线的多频化技术,改变天线辐射贴片的形状结构以及对各个结构参数优化,天线的工作频段谐振点随之发生改变．现要求天线的谐振点为1.26 GHz、1.6 GHz、1.82 GHz、2.3 GHz．通过电磁仿真软件HFSS13.0对L型缝隙结构参数以及其他相关参数进行优化分析,最后确定天线的结构参数Ws=44 mm,Ls=47 mm,Wg=19 mm,Lg=20 mm,Wf=4 mm,S=2 mm,L11=23 mm,L12=8 mm,L21=19 mm,L22=14 mm,L31=18 mm,L32=12 mm．缝隙L1和L2的缝隙的宽带均为2 mm,缝隙L3的横向宽度为2.6 mm,纵向宽度为2.5 mm．

在仿真设计的基础上,制作了天线原理样品进行实物测试,天线的工艺加工实物图如图5所示,对实物使用安捷伦E8362B矢量网络分析仪对天线的回波损耗进行了测试,测试结果如图6所示,从图7可以看出,仿真结果和实物测量结果变化趋势以及S11参数的变化基本一致,这说明仿真优化的过程是正确的,所采用的技术手段是有效的．同时图7(a)、(b)、(c)、(d)给出了在通过多次优化以及参数的调节最终在1.26 GHz、1.6 GHz、1.82 GHz和2.6 GHz工作频率下的辐射方向图．

图5　天线的工艺加工实物图

图6　仿真结果与测量结果的回波损耗对比图

(a) 1.26 GHz辐射方向图

(b) 1.6 GHz辐射方向图

(c) 1.82 GHz辐射方向图

(d) 2.6 GHz辐射方向图图7　天线在不同工作频率下的辐射方向图

3结论

设计了一款新型多频缝隙微带天线,并对其进行优化仿真和实物制作测试加以验证．仿真和测试结果表明,该天线具有良好的四频段工作性能且具有灵活可调的谐振性,能满足不同通信系统的要求．

相比于其他应用于移动通信终端设备的微带天线,本设计缝隙微带天线具有以下优点:首先,采用了共面波导馈电的形式,由于接电板与辐射贴片共面,这有利于与其他微波电路共面集成提高微波电路的集成度;此外,在保证天线的小型化的同时,在一个辐射贴片开三个L形的缝隙且相互谐振频段不受影响,可以直接制作在屏蔽导体之上而无需占用其他电路板位置,这使得系统结构更为紧凑,进一步提高了系统的集成度．所以,该天线在实际应用中具有很好的实用性和研究价值．

参考文献

[1] YANG F, ZHANG X X, YE X M, et al. Wide-band E-shaped patch antennas for wireless communications[J]. IEEE transactions on antennas and propagation, 2001, 49(7):1094-1100.

[2] CHEN W H. Dual-band reconfigurable antenna for wireless communication[J]. Microwave and optical technology letters, 2004, 40(6): 503-505.

[3] KWON D H, KIM Y J. Suppression of cable leakage current for edge-fed printed dipole UWB antennas using leakage-blocking slots[J]. IEEE antennas and wireless propagation letters, 2006, 5: 183-186.

[4]曹燚, 胡倩. TD-SCDMA智能天线在网络优化中的应用研究[J]. 中国无线电, 2011(12): 53-55.

CAO Y, HU Q. Study on the application of smart antenna to TD-SCDMA network optimization[J]. China radio, 2011(12): 53-55. (in Chinese)

[5] 薛睿峰, 钟顺时. 微带天线圆极化技术概述与进展[J].电波科学学报, 2002, 17(4):332-336.

XUE R F, ZHONG S S. Survey and progress in circular polarization technology of microstrip antennas[J]. Chinese journal of radio science, 2002, 17(4): 332-336. (in Chinese)

[6] HSIAO H M, LU J H, WU J W. Y-shaped monopole antenna with dual-broadband operation for WLAN[J]. Microwave and optical technology letters, 2006, 48(8): 1476-1480.

[7] LIN Y C, HUNG K J. Design of dual-band slot antenna with double T-match stubs[J]. Electron letters, 2006, 42(8):5-6.

[8] 吕文俊, 程崇虎, 程勇, 等. 一种新型2.4 GHz频段加载贴片天线的设计[J]. 电波科学学报, 2004, 19(6): 730-734.

LÜ W J, CHENG C H, CHENG Y, et al. Design of a novel loaded patch antenna operated at 2.4 GHz-band [J]. Chinese journal of radio science, 2004, 19(6):730-734. (in Chinese)

[9] 吕文俊, 程勇, 程崇虎, 等. 一种新型多频缝隙微带天线的设计[J]. 电波科学学报, 2006, 21(2): 266-268.

LÜ W J, CHENG Y, CHENG C H, et al. Design of a novel multi-frequency microstrip slot antenna[J]. Chinese journal of radio science, 2006, 21(2): 266-268.(in Chinese)

[10]金元松, 董明玉, 何绍林, 等. 对数周期偶极子天线的可变相位中心[J]. 电波科学学报, 2001, 16(3): 323-328.

JIN Y S, DONG M Y, HE S L, et al. The variable phase center of the log-periodic dipole antenna[J]. Chinese journal of radio science, 2001, 16(3): 323-328.(in Chinese)

[11]GAO S C, LI L W, YEO T S. A dual-frequency compact microstrip patch antenna[J]. Radio science, 2001, 36(6):1669-1682.

[12]史文彬, 车仁信. 一种三频内置手机天线的设计与仿真[J]. 无线通信技术, 2011(2): 49-53.

SHI W B, CHE R X. The Design and simulation of a three-band internal mobile antenna[J]. Wireless communication technology, 2011(2): 49-53. (in Chinese)

Design and implementation of a four-band microstrip antenna with multi-L-shaped slots fed by coplanar waveguide

FENG XuejianYANG LixiaDING YuanheGUO PengliangWANG Jili

(SchoolofcomputerscienceandCommunicationEngnerring,JiangsuUniversity,Zhenjiang212013,China)

AbstractA four-band microstrip antenna fed by coplanar wave-guide(CPW) with multi-L-shaped slots was designed. The performance of the multiple frequency was obtained by carving L-shaped slot on a radiation triangular patch, and by adjusting the L-shaped slots and relative parameters, its bandwidth of each frequency band can be controlled flexibly. The proposed antenna has the features of multi-bands and miniaturization. By using coplanar waveguide feed and adopting the method of high dielectric constant substrate, the resonance frequency of the antenna can be reduced so that the antenna can work at lower frequency. A large number of simulations and calculations by using HFSS13.0 software have been done, and the simulation results show that the antenna can work at 1.254～1.276 GHz,1.537～1.623 GHz/1.804-1.845 GHz and 2.097～3 GHz when the return loss was less than -10 dB. Simple structure, easy processing and implementation of the antenna are able to meet the requirements of the built-in GPS, the mobile terminal antenna of the third generation, the fourth generation, and their miniaturization and multiband requirements.

Keywordsmicrostrip antenna; slot antenna; multi-band; coplanar waveguide feed

收稿日期：2015-06-21

中图分类号号TN82

文献标志码A

文章编号1005-0388(2016)02-0382-05

DOI10.13443/j.cjors.2015062101

作者简介

冯雪健(1991-),男,江苏人,硕士研究生,主要研究方向为电磁散射与辐射、无线通信系统中的天线理论与设计及计算电磁学方面的研究．

杨利霞(1975-),男,湖北人,博士,副教授,美俄亥俄州立大学 Electron Science 实验室博士后,美国德州大学达拉斯分校访问学者,硕士生导师,主要研究方向为电磁散射及辐射、电磁场数值计算等．

丁元赫(1992-),男,江苏人,硕士研究生,主要研究方向为电磁辐射、无线通信系统中的天线理论与设计．

冯雪健, 杨利霞, 丁元赫, 等. 一种四频段多L型缝隙天线研究与设计[J]. 电波科学学报,2016,31(2):382-386. DOI: 10.13443/j.cjors.2015062101

FENG X J, YANG L X, DING Y H, et al. Design and implementation of a four-band microstrip antenna with multi-L-shaped slots fed by coplanar waveguide [J]. Chinese journal of radio science,2016,31(2):382-386. (in Chinese). DOI: 10.13443/j.cjors.2015062101

资助项目: 国家自然科学基金面上项目(61072002)； 江苏省第八批次“六大人才高峰”计划(2011-DZXX-031)；

镇江市科技工业支撑项目(GY2013051，GY2014018)

联系人： 杨利霞 E-mail: lixiayang@yeah.net