仿铜钱草结构多频带天线设计

冉小英，于 臻，徐幸秋

（华北科技学院电子信息工程学院，河北廊坊065201）

0 引 言

万物生长的自然界一直以来都是人类发展创造和技术思想灵感的来源。自然界的生物经过上亿年的进化演变，具有非常完美的体形结构。仿生天线就是通过探究和模拟生物形态。设计的天线辐射体几何结构，以实现某些特定频段的覆盖。

不论何种天线，其外观结构对天线性能的好坏有着极大的影响。在智能设备高速发展的今天，小型、多频段天线是研究的一个重点方向，分形天线最突出优点就是结构的自相似性带来的多频宽带特性。近年来，圆形、环形、圆环形等结构在分形天线的研究中使用较多，文献［3］中基于分形理论设计了一种叠加椭圆环形3频单极子缝隙天线，可覆盖WiMAX，WLAN和X波段。文献［4］中设计的一款类Minkowski分形微带天线，可覆盖ISM2.4G（2.4 ～2.483 5 GHz）、Bluetooth、GPS、WLAN（2.4 ～2.48 GHz）等多个频段，但其尺寸较大。本文结合仿生和分形天线的优点，借鉴铜钱草近似圆形的外形，利用分形几何自相似特点，采用圆环形辐射体结构，设计了一种小尺寸、多频段天线，以适用于多个无线通信网络应用。

1 仿铜钱草结构多频段天线的结构演进

铜钱草，学名中华天胡荽（Hydrocotyle chinensis（Dunn）Craib），水生草本植物，叶片薄，圆肾形，表面深绿，如图1所示。仿照叶片外形建立两个大小不同的圆环辐射体，由宽为1 mm，厚度为35 μm的铜制微带导线与两圆环辐射体连接，采用共面波导结构进行馈电。接地板为长方形结构，内导线与两边接地板的缝隙宽带为0.5 mm，如图2（a）所示。由图3（a）中回波损耗可见：一个圆环对应产生一个中心谐振频点，-10 dB 频段带宽覆盖了1.69 ～2.36 GHz和3.49～4.42 GHz两个频段，其中，左侧大圆环辐射体对应2.0 GHz中心谐振频点，右侧小圆环对应3.8 GHz中心谐振频点。为了产生更多的可控谐振频点，继续增加圆环型仿叶片辐射体，天线结构分别如图2（b）、（c）所示。相应地，3叶片结构和4叶片结构天线的回波损耗如图3（b）、（c）所示。

图1 自然界中的铜钱草

图2 天线分形迭代演进过程

图3 不同演进结构下的天线回波损耗曲线

从图3（a）中可见，3 叶片结构天线在2.0、3.9 和5.3 GHz处产生了3个谐振频点，而5.3 GHz处天线的回波损耗较高，需要进行改进。4叶片结构天线在1.4、2.5、3.9 GHz处产生了3 个谐振频点，与需要的覆盖频段存在一定偏差。接下来对接地板的形状和尺寸等参数进行优化。

2 接地板形状及尺寸优化

接地板的尺寸大小和形状对天线的性能影响很大。将接地板形状从长方形改变成梯形，利用高频结构仿真软件（High Frequency Structure Simulator，HFSS）V15.0版本对梯形的上边宽度和高度进行参数优化。由矩形结构到梯形结构的变化，接地板对天线工作频段的性能影响很大，如图4（a）所示。

图4 接地板形状及尺寸参数优化

通过对回波损耗扫描结果分析，对于梯形结构接地板，选择梯形的上边宽度为5.75 mm，高度为15 mm为最佳，此时天线的频段覆盖范围最优，有效增大了带宽。由图4（b）中的回波损耗曲线可见，随着接地板高度减小，低频段的回波损耗变化不大，高频段的回波损耗逐渐减小。

3 仿铜钱草天线结构尺寸及性能

最终天线辐射体结构由4个圆环和枝节组成，使用共面波导进行馈电，接地板采用梯形结构，介质板为厚度为1.6 mm、介电常数为4.4的FR4材料，天线结构参数见表1；天线结构模型如图5所示。

表1 天线结构参数 mm

图5 天线结构模型

其中，W和H分别为天线的宽度与高度；W1、W2和H1分别为梯形接地板的上下宽度和高度；R1、r1、R3、r3分别为辐射圆环的外半径；r2、R2、r4、R4虚线分别为辐射圆环的内半径；l1～l4分别为辐射圆环与中心馈线连接的枝节长度；w3表示中心馈线的宽度。

3.1 天线覆盖频段

采用HFSS软件V15.0版本进行仿真，得到回波损耗曲线，如图6所示，中心谐振频点分别为1.3、2.5、3.9、5.0 GHz，-10 dB 带宽分别为1.11 ～ 1.55 GHz，其相对带宽为33.1%，2.34 ～2.59 GHz，其相对带宽为10%，3.49 ～5.83 GHz，其相对带宽为50%，天线覆盖的应用频段见表2。

图6 回波损耗曲线

表2 天线覆盖频段

因此，该天线可用于TD-LTE专网宽带集群、北斗导航系统、TDD业务、雷达业务、卫星广播业、无线定位业务、4G、5G移动通信、卫星地球探测以及无线电定位等业务。

3.2 天线表面电流

天线表面电流如图7所示，在各谐振频点处辐射体上电流分布较均匀。其中，在1.3 GHz处，右上角的圆环叶片表面电流最强，说明右上角的圆环叶片对该频点起到主要影响；同样，在2.5 GHz处，左上角的圆环叶片表面电流最强，对该频点起到主要影响；在3.9 GHz处，右下角的圆环叶片表面电流最强；而在5.0 GHz处，左下角的圆环叶片表面电流最强。

3.3 天线辐射方向图

图8 给出了天线分别在1.3、2.5、3.9、5.0 GHz中心谐振频率下的3D方向图和E、H面方向图。其中红色实线为E面方向图，紫色虚线为H面方向图。可见，天线在4个谐振点处的增益较为理想。随着频率的升高，天线方向图出现了一定的旁瓣。

4 仿铜钱草结构多频段天线实物与实测

对最终优化定型的仿铜钱草结构天线制作了实物，如图9所示，采用AV3629B矢量网络分析仪进行了电磁环境下的回波损耗测试，如图10所示。

图9 天线实物

图10 实测环境

由于测试环境和天线制作过程中的误差，通过实测结果与仿真结果比较可见，中心谐振频点存在一定偏移，回波损耗在3.5～6 GHz频段中有下移趋势，如图11所示。但总体上，仿铜钱草结构多频段天线的实测曲线与仿真曲线较为接近，匹配程度较高，可以满足实际应用。

图11 天线实测和仿真对比图

5 结 语

本文设计了一种结构新颖的仿铜钱草结构多频段天线，采用共面波导馈电以及分形结构，实现了天线的多频宽带特性和结构的小型化。该天线可覆盖1.11～1.55 GHz、2.34 ～2.59 GHz、3.49 ～5.83 GHz 等频段，可以满足多种通信网络的频段要求，在上述通信频段内具有良好的全向辐射特性。