一种基于共臂结构的双频印刷偶极子天线

刘鑫，张帅

（1.武汉晴川学院 北斗学院，湖北 武汉 430204；2.武汉第二船舶设计研究所，湖北 武汉 430205）

0 引 言

全向天线作为一种基本的天线类型，有着广泛的应用，它被应用在形成无线扩频网络、点对点通信、数据传输等方面。在传统的全向天线中，例如单极子天线、偶极子天线和套筒天线，印刷偶极子天线因其成本低、重量轻、外形小、易于加工等优点，尤其受到业界的青睐。在印刷偶极子天线的设计中，宽带化、小型化和高增益是其关键的技术要求。印刷偶极子天线最独特的特点是它的结构简单地由印刷在介质基片两侧的两个臂组成，通过适当调整这些臂，它的谐振频率和带宽可以满足我们不同的需求。

在无线局域网、物联网通信领域，常用的通信频段是433 MHz 频段和2.4 GHz 频段。这是因为根据ITU-R（国际通信联盟无线电通信局）的规定，使用ISM（工业、科学、医疗）频段无需许可证或费用，只需要遵守一定的发射功率，并且不要对其他频段造成干扰即可。433 MHz 和2.4 GHz 频段正是各国共同的ISM 频段，因此蓝牙、Wi-Fi、ZigBee、LoRa 等无线通信技术均是采用的这两个频段。可同时工作在433 MHz 和2.4 GHz 频段的天线，在无线局域网、物联网通信领域有着广泛的用途。

关于双频段、多频段印刷偶极子天线的研究已有很多，在辐射贴片或接地平面上刻蚀狭缝是获得多个频段的常用方法之一。另一个经典的解决方案是将工作在不同频段的天线放在一起，然而，它需要一个匹配电路，这使设计复杂化。第三种解决方案是在插槽上添加条带，此外，通过引入各种带隙结构，天线也可以获得多个频段。近年来，随着材料科学的发展，超材料被广泛应用于多频段天线的设计。文献[6]提出了一种双单元NRI-TL 加载天线，该天线加载了具有串联电容间隙和分流电感条的主偶极天线，以实现多频带行为。文献[7]中提出的另一个想法表明，可以通过引入互补开口环谐振器来实现双频带响应。

本文提出了一种新型的双频印刷偶极子天线结构，可同时工作在433 MHz 和2.4 GHz 频段，在无线局域网、物联网通信领域有着广泛的应用。该天线采用共臂结构，通过将高频辐射体设计为低频印刷偶极子的另一臂，有效缩短了天线的整体尺寸，另一方面通过加载电感，进一步缩短了低频阵子臂的长度，使得整个天线尺寸仅240 mm×8 mm×0.5 mm。

1 双频印刷偶极子天线设计

1.1 双频天线整体结构设计

基于共臂结构的双频印刷偶极子天线的整体设计思路是采用高频辐射体作为低频偶极子的一个臂，其中高频辐射体采用二元偶极子阵列，一方面可以提升高频段的天线增益，另一方面也正好与低频半波偶极子天线臂的长度相当。图1（a）是该天线正反面结构示意图，可以看出该天线由一个工作在高频的二元双面印刷偶极子阵列和一个工作在低频的偶极子下臂组成，整个天线的总长度是。

图1 双频天线结构示意图

工作在高频的二元双面印刷偶极子阵列结构如图1（b）所示，位于介质基板两侧的高频阵子臂相互反向放置，天线介质基板的相对介电常数为ε=2.65，损耗正切角为tan=0.005。该二元偶极子阵列的主要参数包括高频偶极子的宽度、高频偶极子臂的长度、两个高频偶极子之间的距离、高频二元偶极子阵列匹配支节的长度，这些参数共同决定了高频段的天线特性。

该二元偶极子阵列与馈电端口之间设置隔离电容，电容的高通特性使得天线工作在低频时，接地阵子上的电流不会串扰到介质基板上半部分的辐射单元上，从而使得高频辐射体成为低频印刷偶极子的上臂，与下臂共同构成低频印刷偶极子的完整结构。工作在低频的偶极子下臂结构如图1（c）所示，其主要参数为低频偶极子下臂的长度，为了缩短低频阵下臂的长度，在下臂上设置了电感。

1.2 双频天线参数优化设计

由于采用了加载电感的方式来缩小天线纵向尺寸，需分析电感位置对天线性能的影响。当电感位置靠近馈电端口时，天线方向图仿真结果如图2中ANT.1 曲线所示，可以看出天线方向图出现了上翘，最大增益点不在水平方向上。随着电感的位置从馈电端口向天线下臂末端移动，天线最大增益点先是越来越接近水平方向，后又逐渐偏离水平方向。当电感位于天线下臂，距离馈电端口12 mm 左右时，天线最大增益点基本处于水平方向，此时的天线方向图仿真结果如图2中ANT.2 曲线所示。

图2 电感在不同位置时的方向图

除了电感的位置，印刷振子的尺寸调整也会较大程度地影响天线的性能。高频偶极子的宽度、高频偶极子臂的长度对天线的高频性能产生影响，低频偶极子下臂的长度对天线的低频性能产生影响。而两个高频偶极子之间的距离、高频二元偶极子阵列匹配支节的长度既对高频二元偶极子阵列的性能有影响，也对低频偶极子的性能有影响，即对天线的高频和低频性能都可能产生影响。

图3是两个高频偶极子之间的距离变化时，天线电压驻波比的仿真结果。可以看出，随着两个高频偶极子之间距离的增大，低频段的谐振点向低频方向移动，但高频段性能较稳定，基本不受其影响。图4是高频二元偶极子阵列匹配支节的长度变化时，天线电压驻波比的仿真结果。可以看出，随着匹配支节长度的增加，低频段的谐振点基本不受影响，但高频段的谐振点向低频方向移动。

图3 两个高频偶极子之间的距离对VSWR 的影响

图4 高频二元偶极子阵列匹配支节的长度对VSWR 的影响

利用Ansoft 公司的HFSS 电磁仿真软件，经过多次迭代优化设计，最终建立了如图5所示的双频天线模型，天线各部分的详细参数如表1所示。从天线模型中可以看出，天线的主体是一个低频段的偶极子天线，中间是连接SMA 射频端口和同轴线的馈电端口，其下臂是一个电感加载的铜管结构，其上臂耦合了一个高频段的二元偶极子阵列天线。基于F4B 板材制作的双频天线实物图如图6所示，整个天线尺寸为240 mm×8 mm×0.5 mm。

图5 采用HFSS 电磁仿真软件建立的双频天线模型

表1 双频天线尺寸参数表

图6 基于F4B 板材制作的双频天线

2 测试结果及分析

2.1 天线射频匹配性能测试

通过测试天线在馈电端口处的复阻抗和回波损耗，可以评估天线的射频匹配性能。首先通过Keysight 的N9915A矢量网络分析仪测得天线在馈电端口处的复阻抗如图7所示。其中Mark 点M1 设置在天线的低频段433 MHz，从图中可以看出，该点的复阻抗非常接近50 Ω，具有优异的阻抗匹配特性。Mark 点M2 设置在天线的高频段2 390 MHz，该点的复阻抗为43.3 Ω-j0.2 Ω，反射系数仅为0.07，由于阻抗不匹配所导致的反射能量可以忽略不计。因此，天线在433 MHz 和2.4 GHz 两个频段都具有优异的匹配性能。

图7 天线在SMA 端口处的复阻抗测量结果

其次对天线在馈电端口处的回波损耗S11 进行了测量，测量频率范围覆盖0 Hz ～3 GHz，测量结果如图8所示。根据Mark 点的测量值，低频段回波损耗S11=-21.72 dB@ 433 MHz，高频段回波损耗S11=-22.3 dB @ 2 390 MHz。天线在433 MHz 和2.4 GHz 两个频段的回波损耗均低于-20 dB，射频匹配性能优异。

图8 天线在SMA 端口处S11 参数测量结果

2.2 天线辐射特性测试

天线的辐射特性可以通过测试天线的方向图来评估。在微波暗室分别测试了12 支双频天线在两个目标频段内的方向图，图9是双频天线在低频段的方向图测试结果，可以看出天线在低频段的增益约为1 ～2 dBi，最大增益点位于水平方向，与仿真结果具有较高一致性。图10 是双频天线在高频段的方向图测试结果，可以看出天线在高频段的增益约为3 ～4 dBi，最大增益点也正好处于水平方向，天线的辐射特性良好。

图9 双频天线的低频方向图

图10 双频天线的高频方向图

3 结 论

本文成功地设计、制造和分析了一种双频印刷偶极子天线，该天线可同时工作在433 MHz 和2.4 GHz 两个频段，在无线局域网、物联网通信领域有着广泛的应用。为了缩小天线尺寸，一方面通过加载电容，将高频二元印刷偶极子阵列设计成低频偶极子的上臂；另一方面通过加载电感，缩短低频偶极子下臂的长度，使得天线尺寸仅240 mm×8 mm× 0.5 mm，易于加工和安装，非常适合小型天线的应用。实测结果表明，该天线在433 MHz 和2.4 GHz 两个频段均具有良好的射频匹配性能。低频段的增益约为1 ～2 dBi，最大增益点位于水平方向，高频段的增益约为3 ～4 dBi，最大增益点也正好处于水平方向，天线的辐射特性良好。