多频共面波导馈电平面开式套筒天线研究

陈 瑾 傅 光 吴广德 杨 林 龚书喜 陈 曦

(1.西安电子科技大学天线与微波技术国家重点实验室,陕西西安710071;2.中兴通讯西安研发中心,陕西 西安710065)

1.引 言

随着近代无线通信技术的发展,全球定位系统(GPS)以及车载通信系统都迫切地需要支持多频工作的、近似全向辐射的低剖面天线。微带线馈电的贴片天线是实际工作中最常见的选择,然而共面波导馈电的天线具有更多的优点,如低辐射损耗以及更宽的频带,有很多关于多频工作的共面波导馈电印刷天线的研究[1-17],然而这些研究多数是针对超宽带通信系统中3.1～10.6 GHz频段的,能够覆盖较低频段的天线很少并且通常具有较大的尺寸。文献[18]提出了一种用于DTV/GSM的微带线馈电印刷天线,可以覆盖3 GHz以下的部分频带,但尺寸较大,不够灵活轻便。

提出了一种同时支持诸多频带工作的共面波导馈电开式套筒平面天线。经过仿真和实验研究,共面波导中心金属导带以及接地板均选取为渐变的结构,这样的结构可以有效地展宽天线带宽。该天线具有56 mm×36 mm×0.8 mm(仅仅0.336λ×0.216λ×0.005λ,λ为 1.8 GHz所对应的波长)的小尺寸,却覆盖了如PCS1900(1.85～1.99GHz),WCDMA(1.92～2.17 GHz),UMTS(1.92～2.17 GHz),WiBro(2.3～2.39 GHz),WLAN(2.4～2.484 GHz),IEEE802.16WiMAX系统(3.3～3.7 GHz)以及IEEE802.11aWLAN系统(5.15～5.825 GHz)等重要的通信频带。同时,该天线还拥有类似于偶极子天线的辐射特性,天线的设计及实验细节在以下部分给出。

2.理论分析

多频共面波导馈电开式套筒平面天线结构如图1所示,渐变的共面波导中心导带与辐射贴片及两侧渐变的接地板都印制在尺寸为L×L×H=56 mm×36 mm×0.8mm,相对介电常数εr=4.4,损耗正切tanδ=0.02的环氧玻璃布基板的同一面。为了利于阻抗匹配,从而更好地获得宽带特性,辐射体的下端也采用了渐变结构与CPW的中心导带连接。套筒结构本身就具有宽带和激励多个谐振点的特点,文中提出的开式套筒结构就是很好地利用了套筒结构的这一特性,同时倒L型贴片在某种意义上相当于一个附加的寄生贴片,在天线中采用此结构,可以激励出更多的谐振点,从而有效地展宽天线的工作带宽,实现多频工作的目的。仿真与实验研究显示,接地板形状同样在很大程度上影响着天线的阻抗带宽,渐变的接地板结构比普通矩形结构更有利于工作带宽的展宽,因此,我们最终选择了具有一定渐变结构的地板,而不是通常选用的矩形地板。渐变结构的采用对天线性能的影响在后面给出了定性的分析讨论。

图1 天线结构示意图

仿真与实验研究同时表明：共面波导中心导带与接地板之间的缝隙宽度对天线带宽也有一定的影响,因此,我们选择了渐变结构的地板和共面波导中心导带。

为了展宽天线带宽,天线采用了开式套筒结构,而为了激励起高频谐振模式,在接地板上引入了一个倒L型寄生贴片。寄生贴片和开式套筒对天线性能的影响在后文给出。图1中天线尺寸如下：

设计过程中,我们比较关心倒L型寄生贴片及开式套筒结构对天线性能的影响,同时也比较了共面波导中心导带及接地板形状对天线的影响。对于上述给定的尺寸,天线其它参数值不变,有无倒L型寄生贴片和开式套筒结构的情况对天线性能的影响如图2(a)和(b)所示,而共面波导中心金属导带形状及接地板分别选取为以往常用的矩形结构和文中所选取的渐变结构时,天线性能的变化情况如图2(c)和(d)所示。

由图2可以看出：倒L型寄生贴片的引入对高、中、低三个频段的带宽都产生了很大的影响,三个频段的带宽分别被展宽了21.3%,4.6%及14.4%,开式套筒结构的应用使得低频段和中频段向高频移动,渐变的共面波导中心金属导带使得天线回波损耗小于-10d B的阻抗带宽进一步地展宽,而渐变的接地板更是对中间频段及高频频段的性能起到了决定性的作用。

图2 天线结构对回波损耗的影响

为了进一步分析参数对频带的影响,我们对倒L型寄生贴片上臂长度W以及套筒尺寸H1对天线性能的影响进行了讨论。当W取16 mm,26 mm和36 mm,天线其他部分尺寸不变时,天线回波损耗曲线如图3所示。

图3 天线回波损耗随W变化曲线

从图3可以看出,与W取36 mm相比,W取16 mm和26 mm时,对应的工作带宽明显变窄。

天线其他部分尺寸保持不变,选取套筒高度H1为10.75 mm,15.75 mm及20.75 mm进行讨论,天线回波损耗曲线如图4所示。由图4可以看出,H1取10.75 mm,15.75 mm 和20.75 mm时,对第一个谐振点影响较小,对第二和第三个工作频段的影响非常大,H1取10.75 mm时,第二个谐振点向低频移动,并且回波损耗小于-10 dB的频带变窄,第三个工作频段也向低频端移动并且带宽变为33.6%(H1=15.75 mm时第二个工作频段带宽为42.1%)。而H1取20.75 mm时,第二个回波损耗小于-10 dB的频带消失,第三个工作频段带宽也减小为19.2%,基于对天线工作频段的考虑,我们选取H1为15.75 mm。

图4 天线回波损耗随H 1变化曲线

通过利用电磁仿真软件对天线参数进行优化,同时考虑到天线制作加工时的实际情况,我们最终选取了上述尺寸。

3.实验结果分析

在利用仿真电磁软件Ansoft HFSS对天线进行前期分析计算的基础上,将天线印制在相对介电常数 εr=4.4,厚度h=0.8 mm,损耗 正切 tanδ=0.02的环氧玻璃布基板上,基板尺寸为L×L×H=56 mm×36 mm×0.8 mm。采用 Wiltron237269A矢量网络分析仪对天线实物进行回波损耗的测试,图5给出了对应的测量与仿真结果。由图5可看出,天线在 1.86～2.49 GHz,3.3～3.7 GHz以及 4.26～6.08 GHz等频段内回波损耗小于-10 dB,除了个别频点有很小的差异外,与仿真结果吻合良好。在整个频带内,实测结果与仿真结果有些许小差异,这可能是由于测试和仿真环境存在一定差别,以及天线实物存在加工误差的原因。

为了进一步验证天线的辐射特性,选取了2 GHz,3.5 GHz,5 GHz以及5.5 GHz这几个频点在微波暗室中对天线的方向图进行了测试。图6给出了天线在这几个频点上的E面和H面归一化辐射方向图。由于天线结构的不对称性,由图6可以看出,文中的天线在较高的频点上方向图发生了畸变,辐射特性与偶极子有了一定的差异。图7给出了天线在三段工作频带中的增益曲线,其中增益的最大值出现在5.5 GHz处。

4.结 论

提出了一种同时支持诸多频带工作的共面波导馈电平面开式套筒天线。天线具有56 mm×36 mm×0.8 mm的小尺寸,但可以覆盖很多重要的通信频段,在水平面的辐射方向图与偶极子近似,实测结果和仿真结果吻合良好,证明该天线具有良好的辐射特性及实用性,可以成为现今国内外无线通信的良好选择。

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