一种新型宽带双频板基天线设计与实现

许 拓 刘成国 丁肇宇 张经纬 何大平 吴志鹏

(湖北省射频微波应用工程技术研究中心 湖北 武汉 430070)

0 引 言

宽带多频板基天线是当代信息技术应用中的一个关键技术，在系统宽带化和多频化的应用系统中必须得到很好的解决。例如，超低功耗芯片技术的发展使以物联网为代表的无线传感器节点功耗进入微瓦(μw)量级[1-2]，这使利用周围环境中(手机、无线局域网、FM/AM广播信号和电视信号等)的射频无线能量为其中低功耗传感器节点的自持供电技术提供了有效选择，成为目前的热门研究课题[3-4]。有效地收集环境电磁能量的宽带多频天线技术是需要解决的关键技术之一，用以满足天线小尺寸、重量轻、易于安装和双频或者多频覆盖等方面的应用需求[5]。一方面，单极子天线可以大大增加天线带宽[6-7]；另一方面，为了使单极子天线能够接收到更多人为频段的能量需要研发多频单极子天线[8]，由于实现困难，所以成为无线能量收集天线研究的一个重要问题。文献[9]提出了一种结构复杂的三频天线，而在设计频点900 MHz和1 900 MHz的带宽和增益均不高，文献[10]中设计的双频天线得到的天线实测性能在低频900 MHz也不理想。目前，能量收集系统中整流天线大多追求结构复杂、多频等指标，忽略了天线本身性能，设计的天线往往结构复杂、实现了多频特性，而带宽和增益等性能大大降低。

针对我国固定使用的900 MHz和1.8 GHz成熟商用通信频段，开展了新型双频板基G型[11]天线结构的研究和设计，通过HFSS软件仿真、优化以及天线的制作和测试，实现了双频点的高带宽、大波束宽度的较高增益的良好天线辐射特性。在物联网时代背景下，对该天线应用于射频能量收集系统提供一种选择。

1 原理分析和设计

1.1 天线结构

为更有利于射频能量的接收，需要具有多频功能、增加电磁波接收面积和比较大的半功率波束宽度。目前扩展微带结构天线带宽的方法主要是加厚介质基板或采用介电常数较小基板[12]、电磁耦合、增加阻抗匹配网络和开槽技术等[13]。本文选用1/4波长的单极子天线的机制设计天线，为满足相对带宽和板基印刷等要求，采用图1所示的G型结构，两个天线臂实现双频工作，并且两臂之间相互耦合，使得谐振频率相互靠近，有利于增大工作频点带宽；同时，天线臂的有效电长度辐射方向的改变，半功率波束宽度也随之变化。图中标明了天线结构的尺寸参数L1、L2、L3、L4、L5、L6、H1、H2和Wf。Le和Lg除了表示板基天线的尺寸之外，Lg也是其微带馈线的长度。基板采用广泛应用的FR4，其介电常数εr为4.4，正切损耗为0.02，基板厚度为1.6 mm。

图1 G形天线的结构和参数

表1 天线臂长理论值

1.2 微带馈线

微带线是集成电路普遍使用的平面传输线，可以很好地作为板基微波天线的馈线系统。它附着在介质基板上，良好地印刷在一起。使用中为了满足匹配的要求，要设计微带线的上述参数得到给定特征阻抗，如50欧姆的微带线。

文献[14]给出了微带线厚度为t时，微带线宽w与微带线阻抗和有效介电常数的关系近似值公式：

(1)

设计中选用了FR4板材，基于用标准的50欧姆微带线馈电的一般要求，运用微带线特征阻抗的近似计算公式计算得到基本的线宽为Wf=3.05 mm。在仿真时再进行参数优化，将它和天线构成的单端口网络的输入端口阻抗匹配到50欧姆。

2 参数优化和性能仿真

2.1 半功率波束宽度

通过仿真设计对该天线参数进行优化设计。以频率1.8 GHz为中心，在0.1～2.5 GHz的范围内以10 MHz步进进行扫描计算。通过改变各臂长度将天线工作频点匹配到900 MHz和1.8 GHz，在表1的尺度内调整臂长对应各参数，实现阻抗匹配。

将天线的等效电长度在辐射方向的垂直方向上拉伸，即减小L3，增大L4，得到更大的半功率波束宽度并实现良好的天线辐射特性。比较了结构尺寸L1+L2+L3+L4-3×Wf和H2+L6的值，基本相等。比较了仿真结果中的方向图，发现半功率波束宽度在低频情况下几乎一样，高频时波束宽度有明显差别。在高频情况下天线半功率波数宽度大了约15°的结构尺寸。图2给出了仿真的两种尺寸下，半功率波束宽度在低频和高频下的曲线平面方向图仿真结果的对比图，并标明了15°差别的相关数据。

(a) 900 MHz半功率波束宽度

(b) 1.8 GHz半功率波束宽度图2 两种尺寸的半功率波束宽度

2.2 天线尺寸和S参数

通过改变天线结构和微带馈线的尺寸，对半功率波束宽度大的天线尺寸作了研究。得到了图3所示的天线回波损耗随频率变化曲线。

研究表明，改变L1、L4、L3可以调整低频点偏移，改变H2和L6可以调整高频点偏移，改变H1、L6、L1对两个频点偏移都会有影响。双臂之间存在互耦作用，H1和Lg对天线高频谐振点影响比较大，H2主要影响高频谐振点频点偏移量。在改变参数大小时，会影响两臂电长度和它们之间的互耦效果，从而影响工作频点的偏移量和天线带宽。

(a) 改变参数H1

(c) 改变参数L3

(d) 改变参数Lg图3 改变天线部分参数回波损耗曲线图

图3给出的是改变H1、H2、L3和Lg的S11曲线图，反映了上述的变化情况。图中显示随着各参数的变化，低频点900 MHz的偏移量不大，并且低频点处的S11值差距约为5 dB以内。而高频点1.8 GHz的偏移量随着参数变化比较大，且S11值最大能差20 dB左右。最终，通过扫参优化得到谐振频点处于900 MHz和1.8 GHz的良好阻抗匹配结果，表2是优化后对应的参数。表中结果表明L1+L2+L3+L4-3×Wf和H2+L6的值，分别为73.4和21.33 mm，均在表1的理论范围内。

表2 各优化参数设置

3 测试结果与分析讨论

本文为研制出设计的板基天线，将设计的天线输出PCB版图，使用红外激光直刻技术直接加工成型，得到了图4天线实物。该图中研制的天线已焊接上了标准的50欧姆SMA转接头，在微波暗室中连接在了一套3D天线辐射性能的全自动测试系统上。

图4 天线实物及测试安装图

测试工作在湖北省射频与微波应用技术工程技术研究中心开展，天线的S参数使用Keysight PNA 5427A测得。辐射性能使用Keysight PNA 5427A和一套3D天线性能全自动测试系统在微波暗室里测得。

图5给出了仿真与实测的天线回波损耗对比图，图中结果表明，仿真结果与实测结果吻合，只在高频点1.8 GHz的回波损耗值相差接近30 dB，但是频点几乎没有偏移。仿真和实测的相对带宽也差不大。提取实测S11值，反射系数小于-10 dB的阻抗带宽分别是：900 MHz为90 MHz(860～950 MHz)，1.8 GHz为600 MHz(1.55～2.15 GHz)，相对带宽分别为10%和33.3%。

图5 实测与仿真S11对比图

图6为天线在900 MHz和1.8 GHz时E面和H面的实测与仿真对比方向图，一方面表明该天线为线天线，主极化性能良好；另一方面，天线的方向图有很好的全向效果，更有利于能量收集的应用。由实测可得天线的半功率波束宽度分别能够达到73°和126°，低频点稍微低于仿真结果90°，高频点略高于仿真结果120°；天线在900 MHz和1.8 GHz的不圆度分别不高于2.6 dB和5.7 dB。

(a) 900 MHz方向图 (b) 1.8 GHz方向图图6 仿真与实测方向图

图7为在微波暗室中测得的天线增益与仿真增益对比图，实测结果表明，在900 MHz的增益约为0.7 dBi，在1.8 GHz的增益约为2.6 dBi；在低频段900 MHz左右仿真增益比实测增益大，高频段实测增益比仿真增益大。由于发射天线在宽频带范围的精度以及实际测量设备的安装中会产生固有误差，实测结果与仿真结果会存在一定误差。

4 结 语

本文设计了一种应用于无线能量收集系统的新型宽带双频板基单极子天线，通过对天线研究、仿真优化，得到了设计结果，并研制出天线实物。对天线进行性能测试对比，最终的测试结果表明，该G形天线本身具有良好的辐射特性，在实现天线双频工作和保证天线增益尽可能大的情况下，实现了较大的波束宽度，大大增加了天线在双频点的阻抗带宽，完全覆盖了GSM上行和下行频段以及NB-IoT网络所在的两个主要频段的带宽范围，理论上可以应用于射频能量收集系统中整流天线。对于天线在实际系统应用中的性能指标还需要进一步测试研究。