小型化双频带蝶形微带天线设计

2022-08-26覃凤周莹曹美媛曾丽萍

现代信息科技 2022年11期

覃凤，周莹，曹美媛，曾丽萍

(广东理工学院电气与电子工程学院，广东肇庆 526100)

0 引言

随着微带天线在无线通信系统中应用越来越广泛，为适应无线通信技术特别是高速数据传输系统发展的需求，目前已有不少用于拓展天线工作带宽的方法。而采用蝶形贴片的谐振器因其结构简单、阻抗带宽较宽等优势而成为一种常见的、颇具潜力的拓展天线工作带宽的技术手段。

同时，为应对日益紧张的频谱资源，双频甚至多频带天线应运而生。因此，实现具有双频工作特性的蝶形微带天线具有较好的理论和实际意义。如D.G.Rucker等人通过在蝶形贴片上刻槽，实现天线的双频特性，设计出了一种结构简单、较为流行的双频天线。而Y.Tawk等在2008年发表的工作中指出，改变所刻槽的形状同样能得到双频特性。此外，采用多个贴片以及加载技术等实现多频特性的方法也吸引了相关研究学者的广泛关注。如在文献[4]中，通过在天线上加载三角形的寄生元件，成功地设计出一款双频带印刷蝶形天线。2009年，M.Midrio等人提出了一种新型的紧凑型天线结构，其中双偶极子结构的应用使得该天线可以在不借助于任何有源控制的情况下实现面向WLAN应用的双频工作性能。

本文提出的双频带蝶形微带天线，可以同时覆盖GPS（global positioning system）和WLAN（Wireless Local Area Network）应用的频带。首先，设计了一款简单的谐振频率在1.57 GHz左右的蝶形天线；在此基础上，加入另一对尺寸更小的蝶形贴片，该贴片谐振频率约为5.8 GHz。这样一来，便可设计出同时覆盖GPS和WLAN频带的双谐振特性的蝶形微带天线结构。文章详细描述了天线的设计过程，并通过软件仿真优化，得到基于以上设计原理的双频带天线。最后，仿真分析的结果表明，该双频带蝶形天线可以有效覆盖GPS和WLAN的频带应用，且拥有良好的10 dB阻抗匹配带宽。

1 天线结构设计

本文所设计天线的参考单频带蝶形微带天线（天线I）的结构示意图如图1（a）所示。

设计中采用Taconic RF-35A2作为介质板材料，厚度0.8 mm、介电常数3.5±0.05、损切角0.001 5。如图1所示，天线I由介质板上层的一对蝶形辐射单元以及介质板底面的地平面组成。天线的馈线部分采用50 Ω微带线结构，馈线长宽分别为L和W。参考天线（天线I）可激励出一个单一的谐振模式，该谐振频率可以通过下面的公式大致得到：

图1 天线结构图

其中，、、ε以及分别表示为介质板厚度、相对介电常数、有效介电常数及自由空间中的光速，其他的结构参数定义在图1中。图2中给出了对天线I进行全波电磁仿真的结果，可以很明显地看出，天线I只具有一个谐振通带，如图2虚线所示，该频带中心频率位于1.57 GHz处，适合GPS应用。

图2 两个蝶形天线仿真的频率响应特性

接下来，通过在天线I的基础上加入另一对较小尺寸的碟形贴片，得到本文提出的双频带蝶形微带天线（天线II），其结构如图1（b）所示。新加入的碟形贴片用于产生一个独立与天线I谐振频率的新频带，谐振在5.8 GHz处。这样一来，天线II具有适应GPS和WLAN应用的双频带特性。为方便对比，将天线II的谐振特性曲线绘制在图2中，如图中实线所示。

2 天线结构优化设计

为了对双频带天线II的谐振特性做进一步的研究分析，接下来对一些重要参数进行仿真优化。图3（a）和（b）分别给出了地平面高度L以及新加入的碟形贴片与地底边的距离L（其他参数固定不变）对天线性能的影响。观察图3（a）可以得出结论：地平面高度L对两个通带都有较明显的影响，具体表现为：随着L的增大，两个通带的谐振频率都向高频偏移；而图3（b）表明碟形贴片与地边界的距离L对第一频带的中心频率几乎没有影响，却会明显影响第二频带谐振频率的位置。可见，蝶形贴片与地边界的相对位置会影响相应通带的位置，单独改变其中一个相对位置可以实现对应通带的独立可控。

另一方面，图3（c）和图3（d）分别给出了在两对碟形贴片的宽度和改变时，天线II的频率响应曲线的变化情况。从图中可见，随着较大蝶形贴片的宽度逐渐增大，只有第一频带的谐振频率向低频偏移，这是由于的增大导致了电流路径增长，从而谐振频率下降。同样道理，较小尺寸的蝶形天线的宽度的变化只影响第二频带的谐振频率位置。因此，本文所提出的双频带微带蝶形天线的两个工作频带可以通过两对不同的蝶形贴片的宽度和进行单独控制，也就是说，该天线的两个谐振频率是单独可控的。

图3 重要参数的优化分析

最后，为了显示本文所设计的双频带天线的优势，将该天线的总体性能与部分参考文献的双频带天线进行了对比，对比的结果如表1所示。通过观察表1的对比结果可以看出，本文所提出的基于微带馈电的双频带蝶形微带天线在天线的工作带宽、尺寸以及加工难度等方面都具有较为明显的优势。

表1 与部分参考文献中双通带微带天线的对比

本文设计了一种新型的面向GPS（1.57 GHz）和WLAN（5.8 GHz）无线通信应用的微带馈电双频带蝶形天线，并详细介绍了该双频带天线的设计步骤。通过在单频带蝶形天线的基础上加入一对新的、尺寸相比参考天线的碟形贴片更小的碟形贴片，便可以得到本文所提出来的、拥有较好的双频带特性的蝶形微带天线。通过对两款天线的谐振特性进行对比仿真分析，并利用软件进行仿真优化，得到基于以上设计原理的双频带天线。最后，仿真分析的结果表明本文所设计出的双频带蝶形微带天线对于双频带无线通信系统应用而言具有一定的意义。

3 结论

为了进一步阐述本文所提出的双频带天线的谐振机理，图4给出了该双频带蝶形微带天线在两个频带中心频率（1.54 GHz及5.73 GHz）处仿真的表面电流分布情况。从图中也可以很明显地看到，在1.54 GHz的谐振频率处，天线的表面电流主要分布在较大的一对碟形贴片上，如图4（a）所示。这也验证本文的理论，即天线中较大的一对碟形贴片在低谐振频率处作为谐振器，从而产生了第一个谐振频带；相应地，如图4（b）所示，在5.73 GHz时，较小的一对碟形贴片上分布了更大的表面电流密度。这表明，对于所提出的双频带天线，较小的一对碟形贴片作为主要的辐射单元产生5.73 GHz的谐振频带。除此之外，由图4（b）还可以进一步看到，在第二频带（5.73 GHz）的谐振频率处，较大的一对碟形贴片上也分布有相当一部分的表面电流，也就是说较大的碟形贴片也会影响第二频带的谐振频率，这主要是由于两对碟形贴片之间存在一定程度的耦合效应所导致。