新型宽带高效率平面耦合环天线设计

林铄金,陈 星

(四川大学 电子信息学院,四川 成都 610065)

在天线领域,环天线由于具有结构简洁的特点得到了广泛应用。根据天线电尺寸,环天线可分为大环天线和小环天线两种类型[1],其中小环天线是指天线周长小于四分之一个波长的环天线[2]。作为典型的电小尺寸天线,小环天线存在工作频带狭窄和辐射效率低下的缺点,这对小环天线的工程化应用造成严重制约。例如文献[3]设计的用于短波通信的小环天线,其相对带宽仅0.4%。文献[4]设计的用于RFID 的小环天线,其效率只有6.12%。2015 年,Turalchuk 等[5]设计的用于远距离阅读器的小环天线,其带宽不到1%。2016 年,Liu 等[6]设计了一款用于无线传感器的电小方环天线,其带宽为2%,并且辐射效率仅为23%。

为扩展小环天线工作带宽和提升其辐射效率,国内外开展了大量研究工作。例如通过加载电抗元件消除天线输入阻抗的虚部分量,以获得更好的带宽。但由于引入了电抗元件,天线的辐射效率较低[7-8]。如Chen 等[9]使用的一种电感耦合分支技术,使分支带引起额外的谐振,从而加宽电小环天线的带宽,其天线的相对带宽达到12%,然而其辐射效率只有30%。也有一些研究人员通过加载多圈环或折叠天线的方式来提高天线辐射电阻,改善小环天线辐射效率[10-13],如Polivka 等[14]设计了一款平面多环天线,天线由多圈同心电小环组成,其辐射效率提高到了80%,带宽为3.8%。2019 年,Antoniades 等[15]通过间隙来调节天线的谐振频率和带宽的方法为电小环提供了很好的设计思路,其相对带宽为4%,辐射效率达到了60%左右。但是对于实际工程化应用,这些研究工作的成果还不足以满足其严苛的要求。

针对环天线带宽狭窄、辐射效率低下的问题,本文设计了一款具有新型结构的平面耦合环天线,通过在电小环外部加载多边形耦合环,改善了天线阻抗匹配,扩展了天线阻抗带宽。通过调整辐射内环和耦合外环的间距,优化天线结构,最终实现了宽带高效率环天线设计。

1 天线设计

设计的平面环天线如图1 所示,该天线主要由内环和外环两部分组成,一个中空的电小环作为内部耦合环;一个梯形环和矩形环组合构成外部辐射环,外环通过加载矩形环和左右侧对称的实心部分,可以有效增加电流路径,拓展天线带宽。天线馈电点置于内环上底中部,采用50 Ω 的同轴线进行馈电,同轴线内导体与内环的a 点连接,外导体与b 点连接。天线加工在相对介电常数为2.0 的介质基板上,基板厚度为0.6 mm。优化后的天线结构参数如表1所示。

表1 天线结构参数Tab.1 Antenna structure parameters mm

图1 天线示意图Fig.1 Schematic diagram of antenna

内外环之间的间距(包括下方间距D2、左右方间距D3和上方间距D4)相当程度上决定内外环之间的耦合特性,是天线设计的关键参数。使用电磁仿真软件CST 仿真分析了这3 个间距值对天线性能的影响。图2 和图3 分别显示了下方间距D2对天线驻波比(VSWR)和辐射效率的影响。从图2 可以看出,随着下方间距的减小,天线的阻抗带宽得到了拓宽,同时谐振频点的反射减小,电压驻波比的深度也得到了优化。从图3 可以看出,在一定范围内,天线辐射效率随着下方间距的减小而增加,当D2<0.25 mm 时,辐射效率随着内外环下方间距的减小而减小。因此选取D2=0.25 mm,使天线在保持高辐射效率的同时拥有较好的阻抗带宽。

图2 驻波比随内外环下方间距的变化曲线Fig.2 Variation of VSWR with the distance under inner and outer loops

图3 辐射效率随内外环下方间距的变化曲线Fig.3 Variation of radiation efficiency with the distance under the inner and outer loops

仿真研究表明,内外环左右方和上方间距对于天线带宽的影响并不明显,因此这里主要研究其对于天线辐射效率的影响。图4 和图5 分别显示了天线内外环左右方间距D3和上方间距D4对天线辐射效率的影响。从图4 可以看出,随着内外环两侧间距的缩小,天线的辐射效率先增大后减小。从图5 可以看出,天线内外环上方的间距对天线也有着同样的变化趋势。结合两图,当取D3=1.7 mm 和D4=0.8 mm,天线拥有较高辐射效率。

图4 辐射效率随内外环左右方间距的变化曲线Fig.4 Variation of radiation efficiency with the left/right distance of the inner and outer loops

图5 辐射效率随内外环上方间距的变化曲线Fig.5 Variation of radiation efficiency with the distance above the inner and outer loops

对天线的关键参数进行优化之后,仿真了加载多边形外环前后天线的输入阻抗,以研究加载外环对天线的影响。图6(a)和(b)分别显示了天线加载外环前后输入阻抗实部和虚部的数值对比。从图6 可以看出,通过加载天线外环,提高了天线输入阻抗的实部,使天线更易于与信号源进行匹配。同时引入了容抗分量,可以补偿耦合虚部的感抗部分,实现了良好的阻抗匹配特性,从而拓宽了天线带宽。同时,加载外环也提高了天线的辐射电阻,再通过优化内外环的结构和间距,使天线内外环充分耦合,从而实现天线高辐射效率设计。

图6 是否加载外环天线的输入阻抗对比Fig.6 Simulated impedance with/without outer loop

2 天线仿真与测试对比

为验证设计的准确性,通过仿真优化后,对设计的模型进行了加工和测试,加工实物如图7 所示。使用安捷伦矢量网络分析仪N5230A 对天线实物进行驻波测试,天线VSWR 仿真与实测对比如图8 所示,在1.28～1.355 GHz 频率范围内天线的VSWR<2,相对带宽5.7%,仿真与实测曲线吻合良好,谐振频率稍微有一点偏差。仿真和实测的误差来源主要有两点:(1)天线缝隙尺寸较小,加工精度不够;(2)天线焊接和仪器连接时产生的测试误差。

图7 天线加工实物Fig.7 Photo of the proposed antenna

图8 仿真与实测驻波比Fig.8 Simulated and measured VSWR

使用微波暗室对天线实物进行方向图和增益测试,图9 为天线在中心频率1.3 GHz 的水平方向图和垂直方向图,从图中可以看出该天线的水平和垂直方向图都接近全向,测试和仿真结果吻合良好。天线在1.3 GHz 的实测增益为1.98 dBi,天线在1.3 GHz 的仿真增益为2.06 dBi,根据仿真和实测增益的差异可计算得到该天线辐射效率为96.11%。

图9 仿真与测试方向图Fig.9 Simulated and measured radiation patterns

图10 为在1.3 GHz 左旋圆极化/右旋圆极化(LHCP/RHCP)方向图。从图10 可以看出,天线在1.3 GHz 的极化方式为左旋圆极化,天线交叉极化比大于17 dB,具有较好的远场辐射特性。

图10 交叉极化方向图Fig.10 Cross-polar radiation patterns

3 结论

本文设计了一款新型平面双环天线,通过加载外环改善了阻抗匹配,拓宽了天线带宽,天线在1.28～1.355 GHz 频段范围内实现了VSWR<2(相对带宽5.7%);通过内外环耦合,实现了高辐射效率设计,天线辐射效率达到96.11%。同时天线还兼具平面、轻薄、易于加工等优势,为设计高效率、宽带、类全向的天线提供了一种新思路。