基于谐振器加载的双频平面天线的设计

彭 丽，赵显超

(中国人民解放军93160部队，北京100071)

0 引言

随着无线通信系统的高速发展，天线作为无线电系统中重要组成部分[1,2]，是通信、雷达、导航、广播、遥感等现代无线通信系统中不可缺少的部件。为了满足多元化的无线通信业务的需求，不同工作频段的通信系统悄然出现。因此，能够满足多模式、多频段的平面终端天线，成为了解决上述问题的主要途径。

目前国内外报道了许多具有不同结构的多频平面天线[3-6]，例如，采用倾斜的D形条[7]、加载2个不同尺寸的堆叠T形[8]、加载开口环[9]、印刷双曲折线[10]等。 但是，在实际应用中，这些设计大多数都是大尺寸或复杂的结构。近些年来，近距近场加载技术为双频天线提供了新颖的设计思路。在文献[11]中，提出了一种Z形曲折线作为近场加载元件的双频单极子天线。在文献[12]中，提出了一种采用双电容负载环(CLL)作为近场加载元件的双频单极子天线。在文献[13]中，通过加载埃及战斧近场元件，实现天线的双频特性。

本文在传统的印刷单极子天线基础上，创新地在其近场加载了2个折叠线阶跃阻抗谐振器(SIR)，通过之间相互耦合，引入了2个谐振频率，从而实现了双频全向辐射的设计要求。与双曲折线加载的天线相比，该天线简化了结构和馈电的设计。

1 天线结构的分析和设计

1.1 天线结构

折叠线SIR加载双频平面天线的几何结构，如图1所示。该天线由一个驱动印刷单极子和2个不同的折叠线SIR组成。这些折叠线SIR分别印刷在基板的顶层和底层。驱动印刷单极子位于基板的中间层。整个天线通过微带线与50 Ω同轴连接器相连。整个天线结构印刷在介电常数εr=3.38、损耗角正切tanδ=0.002 7的Rogers RO4003C基片上。

(a) 天线正面

天线的具体结构尺寸参数如表1所示。

表1 天线的尺寸参数

1.2 天线的等效电路及分析

提出的折叠线SIR加载双频平面天线的基本原理是通过在天线的近距近场加载2个不同的折叠线SIR作为电抗加载元件来引入2种不同的谐振模式。为了了解所述天线的机理，采用了如图2所示的等效电路。

图2 天线的等效电路模型

图2给出了由LC-J-LCR网络表示的双频平面天线的等效电路。驱动印刷平面单极子由La，Ca和Ra组成的有耗并联谐振器表示。这里，辐射电阻用Ra表示。同时，折叠线SIR1和折叠线SIR2分别由Lr，Cr，L′r和C′r组成的并联谐振电路等效地表示。驱动印刷单极子天线与折叠线SIR1和折叠线SIR2通过宽边耦合(上下的层间宽边平行线耦合)，可以看作是导纳倒相器J1和J2。

在设计中，2个不同的折叠线SIR作为电抗加载元件。由于折叠线SIR2具有与折叠线SIR1相似的结构，本文仅对折叠线SIR1进行了分析。折叠线SIR及其等效电路如图3所示。

图3 折叠线SIR结构及等效电路

折叠线SIR可以看作是2个并联的基本SIR，其等效电路由2个导纳组成，用Yis表示[14]：

(1)

式中，Z1和Z2是微带线的特性阻抗；而θ1和θ2分别是微带线的电长度。

从图3可以看出，Yb可以从一对并联导纳Yis中获得，

(2)

同样，也可以得到Y′b：

(3)

式中，Z′1，Z′2，θ′1和θ′2分别是特性阻抗和电长度。

根据平行耦合滤波器设计的基本知识，驱动印刷单极子与折叠线SIR之间的耦合等效于导纳倒相器J。折叠线SIR可以等效为Lr和Cr表示的无损耗并联LC谐振网络。

根据导纳倒相器J的应用[15]，可以建立导纳关系：

。

(4)

同样，可以得到：

(5)

从并联导纳Ya和Y′a来看，YA如下：

。

(6)

图2中驱动印刷单极子的导纳Yc(即无折叠线SIR加载)可以通过CST STUDIO SUITE三维电磁仿真软件提取。Yc可得到：

Yc=Gc+jBc，

(7)

式中，Gc和Bc分别是导纳Yc的实部和虚部。

最终得到输入导纳Yin为：

。

(8)

为了便于分析，由输入导纳Yin的倒数得到输入阻抗Zin:

(9)

式(7)中,导纳Yc通过仿真提取得到，导纳YA和Yin由式(6)和式(8)得到。为了方便分析，阻抗ZA，Zc和Zin(导纳的倒数)将用于史密斯阻抗图分析。

阻抗ZA，Zc和Zin的计算结果如图4所示。阻抗ZA的虚部在2～4.5 GHz频段为负，即阻抗ZA为电容性。阻抗ZA有2个峰值，分别是(39.42-j275.76)Ω(@3.1 GHz)和(18.17-j189.08)Ω(@4.2 GHz)。从图4还可以看出，驱动印刷单极子(即无折叠线SIR加载)的谐振频率是4.0 GHz。输入阻抗Zc与ZA并联，可获得2个谐振频率，分别为2.6,3.5 GHz。

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图4 天线的匹配过程

1.3 天线参数分析

由式(9)可知，由于驱动印刷单极子与折叠线SIR之间的耦合，输入阻抗Zin会发生变化。在确定驱动印刷单极子和谐振器时，输入阻抗Zin随导纳倒相器J的变化而变化。根据文献[16]，驱动印刷单极子与折叠线SIR之间的耦合由它们之间的距离决定，这也相当于导纳倒相器J。因此，图2中的J1和J2由图1中的物理尺寸H1和H2确定。然后，利用CST STUDIO SUITE三维电磁仿真软件对预期现象进行了仿真和分析。

当只加载折叠线SIR1(即无折叠线SIR2加载)时，图5显示了仿真的反射系数随H1的不同而变化。在仿真中，其他尺寸参数保持如表1所示。

图5 仿真的反射系数随H1变化(无折叠线 SIR2)

从图5可以看出，天线的谐振频率随着H1的减小而逐渐减小。也就是说，随着驱动印刷单极子天线和折叠线SIR1之间的距离减小，耦合强度增加，天线的谐振频率降低，这与Cohn的结果一致[17]。图5还指出了传统印刷单极子天线(无电抗加载元件加载)的反射系数。与传统的印刷单极子天线相比，折叠线SIR1加载天线的谐振频率明显降低。

图6给出只加载折叠线SIR2(即无折叠线SIR1加载)时，仿真的反射系数随不同H2而变化。在仿真中，其他尺寸参数保持如表1所示。

图6 仿真的反射系数随H2变化(无折叠线SIR1)

从图6可以看出，天线的谐振频率随着H2的减小而逐渐减小。也得出了类似的结论。随着驱动印刷单极子与折叠线SIR2之间的耦合距离减小(即耦合强度增加)，天线的谐振频率降低。

折叠线SIR1和折叠线SIR2同时加载。为了逐步说明这一现象，首先仿真了反射系数随H1(H2是固定的)的变化，如图7所示。在仿真中，其他尺寸参数保持如表1所示。

图7 仿真的反射系数随H1变化(H2固定)

图8显示了随着不同H2(H1是固定的)而变化的反射系数，这也说明了上述现象。在仿真中，其他尺寸参数保持如表1所示。

图8 仿真的反射系数随H2变化(H1固定)

定义H1=H2。如图9所示，反射系数随H1和H2而变化。随着H1和H2的减小，2种谐振频率都逐渐减小。在仿真中，其他尺寸参数保持如表1所示。

图9 仿真的反射系数随H1和H2变化(H1=H2)

2 测试及结果分析

加工并测试了折叠线SIR加载双频印刷单极子天线的样品并焊接KFD20型SMA接头，折叠线SIR加载双频印刷单极子天线的照片如图10所示。

图10 天线加工实物

采用Keysight E5071C矢量网络分析仪测量天线的反射系数，利用SATIMO近场天线测量系统测量天线的辐射方向图，如图11和12所示。

图11 天线反射系数实测现场

图12 天线辐射方向图实测现场

仿真与实测反射系数的比较如图13所示。

图13 仿真与测试的天线的反射系数

从图13中可以看出,该平面天线工作在2.45，3.48 GHz，在工作频点处的反射系数约-14.98，-14.65 dB，具有良好的双频特性。

双频平面天线的仿真和测量增益如图14所示。从结果可以看出，天线在工作频率范围内获得了稳定的增益。同时，有2个增益峰值1.9，1.2 dBi，这与仿真结果一致性很好。

图14 仿真与测试的天线增益

折叠线SIR加载双频平面天线在工作频率范围内仿真的辐射效率的曲线如图15所示。在图15中，测试的辐射效率曲线上有2个峰值，分别为93%，87%。

图15 天线的辐射效率

需要注意的是，在高频下，增益和效率会降低。同样，同轴连接器的焊接精度和基板的介电常数的变化可能导致仿真与测量结果之间的微小偏差。

图16和图17分别示出了所述天线在2.45，3.48 GHz下的E面和H面辐射方向图。显然，所述天线具有良好的全向辐射方向图和低交叉极化性能。

(a) E面

(a) E面

在2.45，3.48 GHz的辐射方向图中，交叉极化水平约为-25 dB。仿真结果与实测值存在一定的偏差，这不仅与同轴连接器焊接精度和基板介电常数的变化有关，还与基板两层之间使用的胶水有关。

3 结束语

本文提出了一种基于折叠线SIR加载的双频平面天线。该天线的双频中心频率为2.45，3.48 GHz，具有良好的辐射效率，可应用于GSM、WiFi等无线通信设备。同时，该双频平面天线结构简单，通过快速调整谐振器与单极子天线之间的耦合距离，可方便地改变天线的谐振频率，为双频全向平面天线的设计提供了一个新颖的设计思路。