基于哑铃型缺陷地结构的多频微带贴片天线设计

叶朝阳

(北京邮电大学 国际学院 北京 100876)

0 引言

为适应无线通信的发展,多频带天线的设计已成为研究热点[1-2]。文献[3-5]通过在贴片或接地板刻蚀槽缝的方式,激励多个谐振模式,从而实现多频工作模式。文献[6-8]采用几何分形结构的方法设计出满足多频带工作及小型化目标的天线。文献[9-11]使用超材料实现天线多频带工作。文献[12]通过地在其近场加载折叠线阶跃阻抗谐振器(Stepped Impedance Resonators,SIR),实现了双频全向辐射的天线设计。

微带贴片天线具有低剖面、低损耗、方便加工和易于集成等优势,贴片及接地板刻蚀槽缝的方法因为易于集成,易于加工而被广泛应用。

文献[13]通过在矩形贴片表面刻蚀U形和H形槽缝的方式,设计了双频微带天线,工作频率为1.85 GHz和2.45 GHz,并从表面电流分布的角度分析了不同参数对谐振频率的影响。

缺陷地结构(Defected Ground Structure, DGS)是在微带线、共面波导等传输线的金属接地板上刻蚀周期或非周期的各种栅格结构,改变传输线的分布电感和分布电容,使传输线具有带隙特性和慢波特性[14]。

DGS具有多种形式:线性槽、环形槽、U型槽、互补开口环谐振器(Complementary Split-Ring Resonator,CSRR)以及螺旋型DGS等。

文献[15]提出了一种通过加载E型单元DGS结构满足WiMAX以及WLAN应用的多频天线。天线同时工作在2.56 GHz(WiMAX)、3.64 GHz(WiMAX)和5.8 GHz(WLAN)这3个频点,可通过调整E型结构参数完成多个谐振频点的实现。文献[16]分别将2种不同的DGS结构(矩形槽以及三角形槽)加载到矩形贴片天线的接地板上,实现了3个谐振频点工作,其工作频率覆盖空管监视(Airport Surveillance 2.7～2.9 GHz)、WiMAX(5.8 GHz)或WLAN(5.8 GHz)以及欧洲直播卫星(Europe DBS 10.7～12.75 GHz)。文献[17]构造了双X型槽缝的DGS,分别加载到罗杰斯5880 和罗杰斯4350两种介质基板上,比较了加载DGS对天线的性能的影响。通过加载DGS,可实现带宽增加和尺寸的减小。

本文设计了一款在贴片刻蚀双三角形套环并在接地金属板加载哑铃型缺陷地结构(Dumbbell DGS, DB-DGS)的矩形微带贴片天线。利用电磁仿真软件CST STUDIO SUITE对天线结构进行参数仿真和优化。天线同时工作在2.45 GHz(WLAN)、 3.5 GHz(WiMAX)和5.25 GHz(WLAN)这3个谐振频点,天线的回波损耗、带宽以及增益等性能指标较好,阻抗匹配良好。与其他具有DGS的天线相比,本文提出的三频段天线辐射性能较好,DGS的设计较为简单,易于加工制作。

1 DB-DGS的分析与等效电路

第一个DGS由Ahn等[18]学者提出,由于形状像哑铃而得名,它是由一个缝隙连接2个矩形而成,矩形边长分别为a和b,狭缝的长度为s,宽度为g,DB-DGS如图1所示。

图1 DB-DGS Fig.1 DB-DGS

根据的频率响应曲线,可将DB-DGS等效为一个集总参数电路。DB-DGS等效电路模型如图2所示。

图2 DB-DGS等效电路模型Fig.2 Equivalent circuit mode of DB-DBS

根据DB-DGS满足LC电路的谐振条件,ω02=1/LC,因此,等效电容C和等效电感L的计算如下:

(1)

(2)

式中:C为等效电容,L为等效电感,Z0为输入/输出特性阻抗,ω0为LC谐振电路的谐振角频率,f0为谐振频率,ωc为3 dB角频率。

文献[19]对DB-DGS以及多种折叠形式的DB-DGS进行了深入的探讨。文献[20]讨论了DB-DGS的尺寸参数对天线传输性能的影响。改变DB-DGS的尺寸、位置以及加载DB-DGS的重复数量可以改变传输线分布电容和分布电感,进而改善阻抗带宽、降低回波损耗以及缩小天线尺寸。

2 矩形贴片天线的分析设计

天线设计需对天线性能指标综合权衡,在满足指定谐振频率回波损耗要求的基础上,主要权衡以下几个方面:带宽、天线增益、天线尺寸、介质材料成本和工艺复杂性等。本文选取广泛使用的环氧树脂(FR4 Epoxy)介质基板,其相对介电常数εr=4.4,厚度h=1.6 mm,损耗正切tanδ=0.025,贴片和接地板材质为铜,厚度35 μm,介质基板和接地板的尺寸相同,长50 mm,宽55 mm。

天线的馈电方式选取同轴馈电方式,提供50 Ω匹配负载,由于同轴线与天线不在同一平面上,可有效抑制来自馈电网络的杂散辐射,同轴馈电位置为Xf。

贴片天线的宽度为w,长度为l,fr为天线的谐振频率,εr为介质基板的相对介电常数,c为自由空间光速(c=3×108m/s),εeff和Δl分别为有效介电常数和等效辐射槽缝长度。天线的尺寸根据微带天线设计理论完成初步设置[21]。

(3)

(4)

(5)

(6)

天线结构如图3所示。

(a)天线正视图

(b)天线侧视图(同轴馈电)

天线的谐振频率指定为2.45、3.5、5.25 GHz。以2.45 GHz为谐振频率,将介质基板参数代入公式,计算得矩形贴片天线的初始尺寸,贴片宽度w为37 mm,长度l为28 mm。经仿真优化,长度l为27.5 mm,同轴馈电的位置Xf为7 mm。天线在谐振频点2.45 GHz处的回波损耗为-20 dB,如图4所示。

3 加载DB-DGS和三角套环的天线分析设计

为实现天线在多个指定频带同时工作,在天线贴片上刻蚀2个三角套环槽并在接地板加载DB-DGS。远离贴片中心点为三角套环1,接近贴片中心点为三角套环2。三角套环1的外侧和内侧外接圆半径分别用R1、R2表示,三角套环2的外侧和内侧外接圆半径分别用R3、R4表示,2个三角套环距离贴片中心的位置坐标分别用(X1,Y1)和(X2,Y2)表示。DB-DGS的两侧矩形边长为a(矩形的长度和宽度相同),中间狭缝长为s,狭缝宽度为g,哑铃狭缝的中心距离地板中心点的位置坐标用(Dx,Dy)表示。加载DB-DGS以及三角套环的贴片天线结构如图5所示。

(a)天线正视图

(b)接地板底视图

经仿真优化,天线的结构参数如表1所示。

表1 天线的结构参数

天线的参数扫描和优化是天线设计的重要步骤。天线的参数扫描围绕主要参数展开,在设计中,按照参数对谐振频率的影响显著性分为以下四部分。

3.1 DB-DGS的狭缝长s对谐振频率的影响

狭缝长s从8.6 mm增加到14.6 mm,低频点2.45 GHz附近的频率特性向高频有较小偏移;在中频点3.5 GHz以及高频点5.25 GHz附近的频率特性明显向低频偏移,并且回波损耗值减小,天线匹配良好。仿真优化后的s取值14.6 mm。狭缝长s对谐振频率的影响如图6所示。

图6 狭缝长s对谐振频率的影响Fig.6 Effect of slit length s on resonant frequency

3.2 DB-DGS的矩形边长a对谐振频率的影响

在狭缝长s取值14.6 mm基础上,矩形边长a从2.8 mm增加到5.8 mm。低频点2.45 GHz附近的频率特性向高频有较小偏移;在中频点3.5 GHz和高频点5.25 GHz附近的频率特性向低频偏移显著,同时回波损耗值明显减小,天线匹配良好。由DB-DGS等效电路模型可知,随着a的增大,电感增大明显,谐振频率减小。经仿真优化,a取值5.8 mm。边长a对谐振频率的影响如图7所示。

图7 边长a对谐振频率的影响Fig.7 Effect of side length a on resonant frequency

3.3 DB-DGS的狭缝宽度g对谐振频率的影响

狭缝宽度g从0.5 mm增加到0. 8 mm,低频点2.45 GHz附近的频率特性没有明显变化;在中频点3.5 GHz附近的频率特性向高频偏移,但回波损耗值增大。随着g的增大,电容减小明显,谐振频率增大,与DB-DGS等效电路模型分析一致;在高频点5.25 GHz附近的频率特性没有偏移,回波损耗值逐渐减小,天线匹配良好。经仿真优化,g取值为0.8 mm。狭缝宽度g对谐振频率的影响如图8所示。

图8 狭缝宽度g对谐振频率的影响Fig.8 Effect of slit width g on resonant frequency

3.4 三角套环1外接圆半径R1对谐振频率的影响

在贴片上刻蚀的三角套环,可以改变贴片表面电流的分布。在不同的特征模式下,槽缝对表面电流的影响不同。当贴片上的电流被槽缝阻隔时,电流路径变长,根据天线电尺寸与谐振频率成反比的规律,会导致谐振频率减小。此外,槽缝结构之间的相互影响也会导致谐振频率的变化。

三角套环1的外接圆半径R1从4.1 mm增加到7.1 mm。低频点2.45 GHz附近的频率特性没有明显变化;在中频点3.5 GHz附近的频率特性向低频偏移,同时回波损耗值减小,天线匹配良好;在高频点5.25 GHz附近的频率特性没有明显变化,回波损耗值逐渐减小。经仿真优化,R1取值7.1 mm。外接半径R1对谐振频率的影响如图9所示。

图9 外接半径R1对谐振频率的影响Fig.9 Effect of external radius R1 on resonant frequency

4 结果讨论

经优化设计,天线在2.45、3.5、5.25 GHz处谐振,满足工作需求。天线回波损耗值S11小于-10 dB阻抗带宽为80 MHz(2.4～2.48 GHz)、120 MHz(3.44～3.56 GHz)和260 MHz(5.11～5.37 GHz),回波损耗值分别为-20.8、-20.6 、-24.0 dB。天线回波损耗结果如图10所示。

图10 天线回波损耗结果Fig.10 Return loss result of the antenna

天线的辐射方向图及3D增益如图11所示,由谐振频点的方向图可知,天线的辐射性能良好;由3D增益可知,天线在2.45、3.5、5.25 GHz三个谐振频率点的增益分别为2.8、2.2、3.1 dBi。

(a)2.45 GHz处的方向图及3D增益

(b)3.5 GHz处的方向图及3D增益

(c)5.25 GHz处的方向图及3D增益

通过贴片开槽和加载DB-DGS,经仿真优化,天线贴片的尺寸由27.5 mm×37 mm变为28.05 mm×28.2 mm,面积减小了22%。

将本文设计的多频微带天线与同类天线的性能对比,如表2所示。5款天线的共同点是应用场景都包含WLAN或WiMAX频段。本文设计的天线在贴片刻蚀槽缝并加载了DB-DGS,文献[15]加载了E型单元DGS,与其相比,本文谐振频率点的回波损耗值更低;文献[16]采用2种方式加载DGS,分别是三角形槽和方形槽DGS。理论上,对谐振频点的要求是回波损耗值低于-10 dB。相较于该文献2种结构下谐振频点的回波损耗值-12、-11 dB,本文设计的天线阻抗匹配良好;与文献[22]的2个谐振频点相比,本文有3个谐振频点,只需一个天线就可同时满足多频带应用需要。

经印制电路板刻蚀技术制作天线实物,为防止氧化,在铜表面使用镀锡工艺,加工的天线如图12所示。使用网络分析仪对天线进行回波损耗测试的结果如图13所示。经实际加工测试,验证了设计方案的可行性。结果表明,天线在2.40、3.44、5.16 GHz三个谐振频率点的S11值分别为-15、-30、 -25 dB。测量和仿真结果存在差异,这种情况是由制造中出现的工艺误差以及测试环境因素影响造成的。

图12 加工的天线Fig.12 Machined antenna

图13 网络分析仪回波损耗测试结果Fig.13 Return loss results tested on network analyzer

5 结束语

本文通过贴片刻蚀槽缝以及在接地板加载DB-DGS的方法,实现了一款可同时工作在2.45、3.5、5.25 GHz三个谐振频点的多频化天线,满足WLAN和WiMAX应用;天线取自广泛使用的环氧树脂(FR4 Epoxy)介质基板,槽缝加工较为简单,回波损耗值、带宽以及增益特性较好,在满足指定工作频率的基础上,辐射特性及阻抗匹配良好。通过分析DB-DGS的等效电路,选取DB-DGS加载到接地板,并对贴片槽缝以及DB-DGS的关键参数进行分析,可为天线分析设计提供参考。