宽带小型化U型贴片天线的设计

陈凯亚,黄宗盛

(西南交通大学 电磁所,成都 610031)

1 引 言

与多数传统天线形式相比,微带贴片天线[1]具备体积小、重量轻、剖面薄、易集成、易共形、易于加工、造价低等优点,广泛应用于移动通信系统(GSM、CDMA)、直接广播系统(DBS)、全球定位系统(GPS)、遥感系统中。另一方面,随着3G时代的来临,通信设备不断向小型化、宽带化发展,对天线体积、集成化及带宽的要求也越来越高。但是,微带天线的带宽相对较窄,因而如何展宽带宽便成了微带天线研究的热点。

1995年,T.Huynh和K.F.Lee首次提出了U形贴片天线的概念[2]。该天线结构简单,通过在普通矩形贴片天线的贴片上开出U形槽即可得到。这种结构的微带天线由于贴片具有U形缝隙,缝隙边缘电流引入了附加谐振,同时,缝隙也引入了容抗,与探针的感抗相抵消,从而展宽了频带。相对于普通的矩形贴片天线而言,该天线在频带宽度上有很大提升,从普通矩形贴片天线的4%～8%提高到了47%,这将使贴片天线得到更广泛的应用。同时,该天线的几何尺寸也很小,高度仅为2.69 cm。

在这之后,U形贴片天线得到了进一步的改进,以满足其在许多方面的应用。文献[3]将U形槽开在三角形的贴片上,得到了约18%的阻抗带宽(工作频率为1677MHz),而没有开U形槽的三角形贴片天线的带宽只有10%。文献[4]提出的双U形槽矩形贴片天线同样可以获得44%的阻抗带宽。文献[5]中提出的U形贴片天线附着在介质板的下面,当VSWR<2时,可获得约33%的带宽。而文献[6]中提出了一种可用于无线局域网(WLAN)的U形槽加载的双频贴片天线,可工作在无线局域网的2.4GHz和5.2GHz两个工作频段。文献[7]中提出的臂长不等的1/4波长U形贴片天线工作于双频,由于臂长不等可以使较低的工作频段获得双模式谐振而展宽带宽,在两个工作频段上均获得10%左右的工作带宽。

U形槽(U-slot)[2]加载己经成为展宽微带天线工作带宽的重要手段之一,而短路墙加载的方法可用来减小贴片天线的尺寸。本文利用U形槽和短路墙联合加载,在实现贴片天线宽带化的同时,兼顾了天线的小型化。

在文献[7]的基础上,设计了一副结构更加简单的四分之一波长U型贴片天线。该天线工作于单频,阻抗带宽可达49%。实际制作了该贴片天线,使用ROHDE&SCHWARZ ZVB20矢量网络分析仪对天线进行了测试,测试结果与仿真结果基本吻合,验证了设计的正确性。

2 天线的结构

天线结构如图1所示。天线采用同轴探针馈电,同轴线的内导体与贴片相连而外导体则与接地面相连,基底为泡沫。加载的短路墙两端分别连接在金属贴片和接地面上,见图中颜色较深部分。

图1 1/4波长U形贴片天线的结构Fig.1 The structure of quarter-wave U-shaped patch antenna

3 天线的设计与仿真

贴片天线由于其馈电探针所带来的感性电抗使得贴片天线的带宽很难超过10%,而U型槽加载的方式可以有效降低这种感性电抗使得天线的阻抗带宽得到展宽。同时,U型槽加载的方式保持了矩形贴片天线结构简单的优点,得到广泛应用。普通的贴片天线都在半波长谐振,天线的尺寸在半波长左右。而短路墙加载的方式使天线在四分之一波长谐振,可以有效减小贴片天线的尺寸,理论上可以减小到原来矩形贴片天线的1/4。本文设计的短路墙加载的U型贴片天线,通过U型槽加载使天线实现双频工作,将双频比调整得接近1以展宽天线的工作频带。同时,短路墙加载有效减小了贴片天线的尺寸。

首先根据矩形贴片天线的设计公式[8],得到未开U型槽的四分之一矩形贴片的尺寸。四分之一波长矩形贴片天线的设计公式为

式中,L为贴片的长度,W为贴片的宽度,c为光速,fr为天线的中心频率,εr为介质的相对介电常数,εe为等效介电常数[8],Δl为贴片的延伸常数[8]。本文采用空气或泡沫作基底,因而εr≈εe≈1,得出天线的长度和宽度在35mm左右。然后利用Ze-land IE3D 12.0对天线进行建模仿真,得出开了U型槽的贴片天线的谐振特性与各参数的关系。f2、f1分别为贴片天线的高低谐振频率。贴片的长度 L对f1、f2均有影响,且此影响呈反比规律,即当 L增大时f1、f2下降。贴片天线的高频谐振点f2受U形槽宽度W3影响较大,且随着 W3增大f2下降,而低频谐振点f1基本不受其影响。U形槽距离短路墙的距离a将影响贴片天线的高频谐振点,且随着a增大f2升高,而 a对f1基本没有影响。文献[7]曾利用U形贴片天线的两个U形臂的不同宽度和长度在天线的低频谐振点附近产生另外的谐振,使天线在低频谐振点工作于双模式以展宽带宽。由于不希望多余的谐振点产生,故本文中将两个U形臂的宽度和长度均设为一样,即UW1=UW2,UL1=UL2。U形槽的宽度 UW1、UW2对 f2影响较大,且随着 UW1、UW2增大,f2增大,而f1基本不变。天线的谐振频率f1、f2均不受U形槽横向臂宽度b的影响,或者说U形槽横向臂宽度b对f1、f2的影响很小。

通过前面的仿真分析,综合考虑各个参数对天线高低谐振频率的影响,天线参数设计如表1所示。

表1 天线参数取值Table 1 The parameters of the antenna 单位:mm

天线的S11曲线仿真结果如图2所示。

图2 1/4波长U形贴片天线的S11曲线Fig.2 The S11curve of the antenna

从图2中可以得出,此时天线的高低谐振频率已靠得较近,双频比接近于1,此时有效工作频段为1.52～2.5GHz(S11<-10dB),天线的阻抗带宽大约为49%。从图中还可看出,天线工作频段上从1.59～2.32GHz的部分 VSWR<1.5,谐振特性很好。

4 天线的制作与测试

该天线结构简单,通过对一块薄铜片进行切割,即可制作出该天线。采用泡沫作支撑基底,利用同轴探针馈电。这样加工制造的精度较低,由于此时主要在于验证理论分析的正确性,因而是可取的。该天线加工出的实物图如图3所示。

天线实测到的S11曲线如图4所示。其有效工作频段为1.5～2.5GHz(S11<-10dB),与计算机仿真分析的结果基本吻合,说明了理论分析的正确性。但由于加工精度的原因并未达到与仿真结果完全一致。

图3 实际制作出的天线Fig.3 The picture of the antenna

图4 天线实测得到的 S11曲线Fig.4 The S11curve measured of the antenna

5 结束语

U型槽加载使天线具有双谐振频率,通过将天线的谐振频率调整得较为接近以展宽天线的工作频带,而短路墙加载可以大大减小天线的尺寸。本文即采用U型槽加载和短路墙加载技术,设计并制作了一副贴片天线。与文献[7]中的不等臂U型贴片天线相比,该天线结构简单,便于设计以及加工制作,同时方便集成于移动通信设备中。天线的尺寸为29.5mm×40mm×12mm,阻抗带宽为49%。该天线可应用于3G移动通信系统中对天线带宽和尺寸要求较高的场合。实际加工出的天线的测试结果与理论基本吻合,验证了理论设计的正确性,对于四分之一波长U型贴片天线的设计可以扩展到其它频段以适应不同的需求。当然,所设计天线的高度可通过采用高介电常数的基底进一步降低,将在后续工作中进行相关方面的研究。

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