一种新型双频全向基片集成波导螺旋缝隙天线*

谭立容,杨梓艺,聂佰玲,张照锋,朱昱颖

(南京信息职业技术学院,南京 210023)

一种新型双频全向基片集成波导螺旋缝隙天线*

谭立容,杨梓艺,聂佰玲,张照锋,朱昱颖

(南京信息职业技术学院,南京 210023)

为了实现双频带全向天线,将基片集成波导SIW技术和平面螺旋天线技术结合,实现了一种新型双频基片集成波导螺旋缝隙天线。比较了当其他条件一样时有SIW结构和没采用该结构时的天线增益:在低频段1.7 GHz～1.87 GHz增益基本一样,在高频段2.4 GHz～2.9 GHz有SIW结构时增益提高了1.1 dB～3.5 dB。仿真和测试结果表明,经优化设计后的天线在S11小于-10 dB时的工作频带为1.705 GHz～1.865 GHz和2.321 GHz～2.646 GHz。该天线在垂直于天线基板的平面内具有全向特性,具有重量轻、低剖面、高增益、易于和平面电路集成等优点。

全向天线;基片集成波导;平面螺旋天线;双频段

随着不同标准、不同频段的无线通信系统陆续被人们使用,人们周围往往是多种无线通信系统共存,例如,在移动通信和无线局域网络同时覆盖区域存在2G3G4GWIFI等不同标准的信号,常常需要双频或多频全向天线来接收来自各个方向的信号。

目前,国内外不少专家学者研究了各种各样的双频和多频天线,来满足不同的通信需要。韩国瑞[1]等人通过控制MEMS开关来改变缝隙的尺寸,从而改变电流分布,实现了双频微带缝隙天线,但该天线实现的是2.4 GHz和5.8 GHz的快速切换,不是共存的双频段;Dian Wang[2]等人通过将微带贴片天线和单极子天线巧妙地集成在一起实现了能覆盖WiFi(2.4/5.2/5.8 GHz)和WiGig(57 GHz～64 GHz)通信的双频段天线;发明专利[3]“一种CPW馈电双频微带天线”采用将两个倒Л型槽以及共面集成波导馈线设置在介质基板的上表面,实现了可覆盖WLAN与WIMAX所有工作频段,但天线不能在所有工作频段实现全向辐射,并且增益低;发明专利[4]“低剖面双频带全向天线”采用在带接地板介质基板的另一侧印刷辐射金属贴片和围绕在辐射金属贴片周围的多个蘑菇型谐振单元结构,实现了有类似单极子天线的辐射方向图的两频天线,可以工作在3.995 GHz～4.025 GHz和4.94 GHz～6.06 GHz频段上,还不能满足接收1.8 GHz、2.4 GHz等不同标准的2G3G4GWIFI信号的需要;发明专利[5]“双频WIFI全向天线”采用两个低频辐射臂和两个高频辐射臂对称设置于所述平衡微带线的两侧,实现了能同时工作在2.4 GHz～2.5 GHz及5.15 GHz～5.85 GHz的全向天线,还不能同时接收移动通信信号和无线局域网信号。

综上所述,目前同时接收移动通信信号和无线局域网信号的双频带全向天线较少,对兼容多标准、多频段的天线需求显得愈发迫切。

针对目前双频天线研究中的问题,提出了一个新的双频天线结构,它使用了双层基板结构,将基片集成波导技术和平面螺旋天线技术结合来使天线具有全向、双频带和高增益等特性。对该天线的实际测量表明,仿真结果和实验结果基本一致,具有较好工作性能。

图1 天线结构示意图

1 新型双频天线结构设计与性能

基片集成波导结构和平面螺旋结构在天线研究领域中分别都有广泛的应用。基片集成波导结构[6]由低损耗介质基片中的金属化通孔阵列和基片的上下金属层构成,金属化通孔的直径d和相邻金属化通孔的间距p需满足d/p≥0.5且d<0.2λg。基片集成波导天线[7-8]能克服传统的金属波导缝隙天线重量重、造价昂贵、体积大的缺点,同时具有传统金属波导缝隙天线高增益、高辐射效率的优点。平面螺旋结构[9]主要由两个平面螺旋臂构成,可以用来实现宽频带天线或多频段天线[10]。

本设计中将这两种结构结合,采用如图所示依次层叠设置的双层基板结构:天线上层基板的上表面1设有馈电微带线,天线上层基板的下表面2为蚀刻有圆形缝隙的金属层;天线下层为在下层基板四周有金属化通孔阵列的基片集成波导腔体,天线下层基板的上表面3为蚀刻有圆形缝隙的金属层,天线下层基板的下表面4为蚀刻有平面螺旋缝隙的金属层。

天线上层基板的上表面设有的微带线为天线馈电、提供匹配阻抗;圆形缝隙将能量从上层的微带线耦合到下层;平面螺旋缝隙起对外辐射电磁波作用,并利用平面螺旋缝隙有效辐射带可以随频率变化而改变这一特性从而实现双频带天线;下层基板上通过四周金属化通孔阵列形成的基片集成波导腔体增强天线增益。

应用仿真软件HFSS对该双频天线进行优化设计,确定了该天线的最终尺寸。当天线上层基板采用厚度为2.0 mm的宽介电常数聚四氟乙烯玻璃布覆铜基板,天线下层基板采用厚度为0.5 mm的宽介电常数聚四氟乙烯玻璃布覆铜基板(这两层基板的相对介电常数εr都为2.2,损耗角正切tanδ为0.001),天线尺寸为:天线上层基板的总长度L1和总宽度W1分别为78 mm和78 mm,天线下层基板的总长度和总宽度W1分别为73 mm和78 mm;微带线的宽度W2和长度分别为3.3 mm和43.3 mm;金属通孔的每个通孔的直径为3 mm,相邻两个通孔中心的间距为5.4 mm;圆形缝隙的半径等于22 mm;平面螺旋缝隙最外缘的半径R0等于26.67 mm。

图2

图2(a)给出了该天线的增益随频率变化仿真曲线图,如图2(a)所示可见采用基片集成波导结构时天线的最大增益在观察的频率范围内可以达到5.5 dBi。同时,将该天线下层基板所有金属化通孔阵列(即,基片集成波导结构)去掉、让其他尺寸不变时,得到无基片集成波导结构(如图2(b))时的天线增益随频率变化曲线,对比这两个曲线,可见采用通过四周有金属化通孔阵列形成的基片集成波导腔体能增强天线增益(尤其在更高的频段),提高了天线的辐射性能。

2 天线的制备与性能测试

基于上述优化设计的天线尺寸,我们在聚四氟乙烯玻璃布覆铜基板上实际制备了该双频全向基片集成波导螺旋缝隙天线,图3给出了该双频天线实物的正面和反面。双频天线的尺寸大小为78 mm×78 mm。

图3 实际制备的天线照片

图4 天线S11随频率变化特性

为了证明制备的天线具有双频段的特性,我们采用矢量网络分析仪PNA8363测量了天线的S11参数。如图4所示,对比了该双频全向基片集成波导螺旋缝隙天线的反射系数S11随频率变化的仿真曲线和测量曲线,证明当对应的S11小于-10 dB时,该双频段缝隙天线能同时工作在1.705 GHz～1.865 GHz频段(可以用来接收或发射工作频率处于该频段的常见移动通信信号,如中国电信的FDD-LTE信号、中国移动的GSM1800信号、中国联通的GSM1800信号等)和2.321 GHz～2.646 GHz频段(频率处于该频段的常见通信信号有WIFI无线局域网信号、WiMAX无线局域网信号、中国电信/移动/联通的4G信号等)。

图5给出了该双频全向基片集成波导螺旋缝隙天线在垂直面(垂直于天线的平面)和水平面辐射方向图,天线在低频段谐振点在天线垂直面具有全向辐射特性(谐振点频率为1.84 GHz,测得对应的增益为4.11 dBi),在高频段谐振点在天线垂直面同样具有全向辐射特性(谐振点频率为2.45 GHz,测得对应增益为5.01 dBi)。其辐射特性能满足从四周接收双频段移动通信和WIFI信号的需求,适合应用需要。

图5 天线的辐射方向图

在表1中将我们设计的天线和目前国内外双频天线进行了比较,可以看到我们提出的双频天线其综合性能优于大多数同类双频天线。和大多数现有双频天线相比,它在两个工作频段皆具有增益高、全向辐射的特性,同时结构简单、制作方便。

表1 双频天线比较

3 结论

设计并实现了一种新型双频全向天线。区别于现有常用的微带天线和单极子天线技术,该双频天线由基片集成波导结构和平面螺旋结构结合而成,通过采用基片集成波导技术提高了天线增益,能同时接收1.8 GHz、2.4 GHz等不同标准的移动通信信号和无线局域网信号,在垂直于天线基板的平面内天线全向性好。

[1] 韩国瑞,白霞,韩丽萍,等. 基于MEMS开关双频微带缝隙天线的设计[J]. 测试技术学报,2016(1):6-9.

[2] Wang D,Chan C H. Multiband Antenna for WiFi and WiGig Communications[J]. IEEE Antennas and Wireless Propagation Letters,2016,15:309-312.

[3] 黄姗姗,沈义进,李骏,等. 一种CPW馈电双频微带天线[P]. 江苏:CN105490012A,2016-04-13.

[4] 代喜望,罗国清,袁博,等. 低剖面双频带全向天线[P]. 浙江:CN105514612A,2016-04-20.

[5] 谭杰洪,陈重. 双频WIFI全向天线[P]. 广东:CN104795630A,2015-07-22.

[6] Bozzi M,Georgiadis A,Wu K. Review of Substrate-Integrated Waveguide Circuits and Antennas[J]. Microwaves,Antennas and Propagation,IET,2011,5(8):909-920.

[7] Cai Y,Qian Z,Zhang Y S,et al. A Compact Wideband SIW-Fed Dielectric Antenna with End-Fire Radiation Pattern[J]. IEEE Transactions on Antennas and Propagation,2016,64(4):1502-1507.

[8] 谭立容,倪瑛,张照锋,等. 基于半模基片集成波导的双频段缝隙天线[J]. 电子器件,2014,37(1):5-8.

[9] Shih T,Behdad N. A Compact,Broadband Spiral Antenna with Unidirectional Circularly Polarized Radiation Patterns[J]. IEEE Transactions on Antennas and Propagation,2015,63(6):2776-2781.

[10] 朱珊虹,董卫鹏,张琳江. 一种宽带螺旋天线的设计[J]. 电子器件,2015,39(4):742-745.

[11] Buckley J L,McCarthy K G,Loizou L,et al. A Dual-ISM-Band Antenna of Small Size Using a Spiral Structure with Parasitic Element[J]. IEEE Antennas and Wireless Propagation Letters,2016,15:630-633.

[12] Zhu X,Guo Y,Wu W. A Compact Dual-Band Antenna for Wireless Body-Area Network Applications[J]. IEEE Antennas and Wireless Propagation Letters,2016,15:98-101.

[13] Cao W Q,Zhang B N,Liu A J,et al. A Dual-Band Microstrip Antenna with Omnidirectional Circularly Polarized and Unidirectional Linearly Polarized Characteristics Based on Metamaterial Structure[J]. Journal of Electromagnetic Waves and Applications,2012,26(2):274-283.

ANovelDualBandOmnidirectionalSubstrateIntegratedWaveguideSpiralSlotAntenna*

TANLirong,YANGZiyi,NIEBailing,ZHANGZhaofeng,ZHUYuying

(Nanjing College of Information Technology,Nanjing 210023,China)

In order to realize a dual band omnidirectional antenna,a novel dual band substrate integrated waveguide spiral slot antenna is realized by combining of the SIW(Substrate Integrated Waveguide)technology and the planar spiral antenna technology. The gains of the antennas with SIW structure and with no SIW structure are compared under the other same conditions. Their gains are almost same at low frequency band(1.7 GHz～1.87 GHz)and the gain of the antenna with SIW structure is improved by 1.1 dB～3.5 dB at high frequency band(2.4 GHz～2.9 GHz). The results of simulation and test show that the working frequency bands of the antenna are 1.705 GHz～1.865 GHz band and 2.321 GHz～2.646 GHz(S11<-10 dB). The antenna has omnidirectional radiation characteristics in the vertical plane of the antenna substrate,and have the advantages of light weight,low profile,high gain,easy of planar circuit integration.

omnidirectional antenna;substrate integrated waveguide;planar spiral antenna;dual band

10.3969/j.issn.1005-9490.2017.05.008

2016-08-02修改日期2016-09-05

项目来源:南京信息职业技术学院工程研发中心开放基金项目(KF20160103,KF20150102);2016年江苏省高校青蓝工程项目;2016年江苏省高等学校大学生创新创业训练计划项目(201613112011Y);2014年度江苏省高校优秀中青年教师和校长赴境外研修项目;江苏高校品牌专业建设工程项目(PPZY2015C242);2015年度江苏省信息产业升级项目

TN820.11

A

1005-9490(2017)05-1088-04

谭立容(1977-),女,贵州人,南京大学博士,南京信息职业技术学院副教授和高级工程师。主要研究领域为微波器件及天线的设计研究,tanlirong77@163.com;

杨梓艺(1995-),女,四川人,南京信息职业技术学院学生,主要研究领域为微波器件及天线;

聂佰玲(1975-),女,硕士,吉林人,南京信息职业技术学院讲师,主要研究领域为无线通信技术;

张照锋(1974-),男,河南人,南京信息职业技术学院副教授,主要研究领域为微波技术;

朱昱颖(1994-),女,江苏人,南京信息职业技术学院学生,主要研究领域为微波器件及天线。