基于加载寄生带的双频天线设计

豆明瑛,王诗音,樊 荣,荀艳丽,杨 斌

(1. 西安明德理工学院 信息工程学院, 陕西 西安 710124)

(2. 西安赛普特信息科技有限公司, 陕西 西安 710000)

0 引 言

随着无线通信系统的快速发展,双频或多频天线已成为无线通信系统最重要的组成部件之一,从而引起了广泛关注[1-2]。为了实现天线双频段工作,人们已经开始了广泛的研究,并且提出一些天线双频段工作的技术,如采用多枝节金属带线[3]、超材料加载[4]或开槽加载[5]等技术。在文献[3]的设计中,天线采用多枝节金属分支实现多频段工作,但这种设计方法通常增加了天线设计的复杂性。超材料加载是实现天线多频段工作的一种新方法,但是这种方法设计的多频段天线带宽比较窄,且设计难度大,难以实际应用。开槽加载也是一种实现天线双频段工作的有效方法,但是传统开槽方法设计的双频段天线存在两个频段相互影响的缺点,即两个频段不相互独立。同时,还有其他一些采用单极子实现双频工作的天线[6-9]。上述天线虽然可以满足双频的要求,但由于天线参数对双频段相互影响,使得天线设计比较困难,这无疑将增加天线设计的复杂性以及使用的不便性。

本文设计了一种微带馈电的双频印刷偶极子天线。该天线通过在偶极子振臂旁平行放置一根金属寄生单元,降低天线在高频段的输入阻抗,实现与馈电端口良好的匹配,从而产生一个新的谐振频点,实现双频段工作。由于改变寄生金属单元的位置和尺寸只影响高频段谐振频点,几乎不影响低频段谐振频点,而偶极子天线尺寸的改变只影响低频段谐振频点,不影响高频段谐振频点,因此,设计的天线具有双频段相互独立的特性,两个谐振频段可根据需求独立设计,互不影响。

1 天线结构

本文所提出的双频段印刷天线的结构如图1a)所示。天线所用的介质基板为相对介电常数为4.4、厚度为1.6 mm的环氧玻璃布层压板FR-4基板。该天线主要由微带馈线、平行金属带线、印刷偶极子和寄生金属条带组成。天线的馈电部分由微带馈电线和平行金属带线共同组成。所用微带馈线的宽度wr为3 mm,特性阻抗为50 Ω。微带馈线、印刷偶极子天线右边振臂、寄生金属条带和平行金属带线的上层带线印刷在介质基板的顶层,如图1b)所示。而偶极子天线的左振臂、平行金属带线的下层带线以及接地地板印刷在介质基板的底层,如图1c)所示。

图1 双频段印刷天线结构示意图

该双频段印刷天线的设计思路如下:第一步,与常规印刷偶极子天线一样,通过调整印刷偶极子天线的臂长d1和臂宽w1,可以调整天线在低频段的工作频点,如2.4 GHz,从而通过调整馈电结构改善天线阻抗匹配特性。第二步,将寄生金属条带平行放置在基板的顶层。当寄生金属条带接近偶极子的振臂时,会引入另一个由寄生金属条带长度所决定的谐振频点。通过调节寄生金属条带的长度d2和宽度w2,可以改变该新引入谐振频点的位置,此处将新的谐振频段设置在5.2GHz的频点处,实现覆盖2.4GHz和5.2 GHz频段的双频段印刷天线。此外,可以通过调节寄生金属条带与基板顶层偶极子振臂之间的距离来改善天线的阻抗匹配特性。

2 实验结果与讨论

通过优化程序对所设计天线的尺寸进行优化,最终得到天线的最佳尺寸。w1=2.0mm,w2=1.5mm,d=20mm,d1=24mm,d2=16mm,a=20mm,S=1 mm,g=4 mm。为了验证本文所设计天线的性能,加工了天线实物并进行测试。

图2给出了加工天线的实物照片,该天线的外形尺寸为50 mm×60 mm。天线采用一个50 Ω的SMA连接接头进行馈电,用于测量天线的性能。天线的反射系数特性通过安捷伦E8363B矢量网络分析仪进行测量,而天线的辐射性能则是通过SATIMO天线近场测量系统进行测量。

图2 加工天线实物照片

图3给出了天线反射系数的仿真和测试结果,同时也给出天线无寄生金属条带加载时的反射系数仿真结果作为参考。如图3所示,无金属条带加载的偶极子天线只有一个谐振点(2.4 GHz频段),而当引入一个平行加载的金属条带时,在天线的高频段(5.2 GHz频段)会产生一个新的谐振频点,可实现双频工作。同时,根据仿真结果可知,当引入新的谐振频点后(5.2 GHz频段),对原始的工作频点(2.4 GHz频段)几乎不产生影响。

图3 天线反射系数仿真和测试结果

根据测试结果可知,天线反射系数的测试结果与仿真结果吻合良好。天线在较低频段,获得了12.5%的阻抗带宽(S11<-10dB),对应频率范围为2276MHz～2 580 MHz。对于较高频段,S11<-10 dB的阻抗带宽为7.76%,对应频率范围为5 162 MHz～5 582 MHz。可以看出,低频段和高频段的阻抗带宽分别覆盖了2.4 GHz和5.2 GHz的无线局域网工作频段,证明该天线可以良好地工作在双频段。

为了进一步了解寄生金属条带对天线性能的影响,对寄生金属条带和偶极子的长度进行了参数分析。图4给出寄生金属条带参数的变化对天线阻抗匹配的影响。

图4 寄生金属条带参数对天线阻抗匹配的影响

如图4a)所示,高频段谐振频点主要由寄生金属条带的长度d2决定。随着寄生金属条带长度的减小,高频段谐振频点向更高的频段移动。但寄生金属条带长度的变化,对低频段谐振频点的影响很小。图4b)给出寄生金属条带与印刷偶极子天线振臂间距S的变化对天线阻抗匹配的影响。随着S的减小,阻抗匹配得到了改善。当间距S=1 mm时,天线具有良好的阻抗匹配。

由于印刷偶极子天线的影响参数较多,这里只对印刷偶极子天线的振臂长度d1进行参数分析。d1对反射系数的影响如图5所示。由图5可知,天线的低频段谐振频点主要由d1决定,而d1的尺寸改变对高频段谐振频点几乎不产生影响。这意味着所设计的天线具有双频段相互独立特性,因此,天线的两个谐振频段可根据需求独立设计。

图5 参数d1对阻抗匹配的影响

图6分别给出了天线在2.4 GHz和5.2 GHz频段的仿真和实测辐射方向图。由图6可知,天线在2.4 GHz和5.2 GHz这两个工作频段的辐射模式是全向辐射。对于这两个谐振频段来说,E面上的辐射特性仍然可以等效为一个偶极子天线,而H面上的辐射特性则受到馈电结构的影响,在高频段出现少许畸变,但在天线主辐射方向仍然能实现有效波束辐射。根据测试结果可知,天线在2.4 GHz和5.2 GHz频段上的前后比分别为6.55 dB和11.40 dB。天线在E面辐射方向图中,水平方向的衰减主要是由于馈电结构的影响造成的,减小馈电结构的尺寸,可以有效改善辐射方向图的畸变,实现良好的空间辐射。

图6 天线不同频点仿真和实测辐射方向图

图7给出了天线在不同频段的增益测试结果。如图7所示,该天线在2.4GHz频段的峰值增益约为5.22 dBi,增益变化较小。而在5.2 GHz频段上,天线的最大增益约为2.54 dBi,对应的频点为5.4 GHz。天线在高频段的增益相对较低,主要由两方面原因造成。一方面,实测方向图在高频段E面出现了不对称分布,导致功率分散,增益下降。另一方面,该天线加工时采用的介质基板是普通的FR-4基板,其本身在微波频段就有约10%的介质损耗,在较高的频段(5.2 GHz频段)该介质损耗会进一步增大。若在实际应用中,采用损耗低且在覆盖2.4 GHz和5.2 GHz频段损耗变化差别不大的介质板,会降低高频段和低频段的增益差,更有利于满足双频段工作需求。

图7 天线在两个工作频段的增益

3 结束语

本文设计并制作了一种双频段印刷天线。该天线采用简单有效、易于实现的馈电结构对天线进行馈电,并在2.4 GHz和5.2 GHz两个频段对天线进行仿真分析和测试。通过仿真分析可知,改变印刷偶极子振臂的尺寸和寄生金属条带的尺寸及位置,可以很方便地设计所需的低频段和高频段工作频点。通过参数分析可知,偶极子天线的尺寸对天线高频段的性能影响很小,而寄生金属条带的尺寸及位置对天线低频段的性能影响也微乎其微。因此,天线的两个谐振频段可根据需求独立设计,具有双频独立的优点。