新型低剖面三频微带天线设计

杨克荣, 杨明武, 张青春, 张祖华

(合肥工业大学 电子科学与应用物理学院,安徽 合肥 230009)

新型低剖面三频微带天线设计

杨克荣, 杨明武, 张青春, 张祖华

(合肥工业大学 电子科学与应用物理学院,安徽 合肥 230009)

针对目前单天线实现多频段工作的要求,文章提出并设计了一款低剖面紧凑型三频微带贴片天线。天线的辐射单元由双G型和U型陷波结构构成。天线高度仅为1 mm,真正实现了低剖面,通过Ansoft HFSS软件仿真得出其工作频段为861～964 MHz、1.53～1.99 GHz、2.2～2.64 GHz,实现了对GSM 900/GSM 1800、北斗B1、S频段以及WLAN频段的全覆盖。该天线具有体积小、结构简单、易于制作、辐射特性良好的优点,能够较好地应用于现代无线通信系统。

低剖面;三频;宽带;陷波特性;微带天线

0 引 言

近年来,随着无线通信的迅速发展,各类天线也受到越来越多的关注。其中,单极子微带贴片天线具有成本低、制作简便以及易于集成化等优点,因此被广泛应用于各种无线通信系统。

目前,大多数无线通信产品中加入多个天线以达到多频段工作实现功能的多样化,这样必然导致天线工作的空间不足。而足够的空间是天线正常工作所必备的条件之一,因此单一天线的低剖面、多频段工作成为了必然选择。现已有多种结构天线用来实现低剖面[1-3],例如文献[1]通过H形接地面和曲柄形馈电结构的微带天线,实现了天线结构的低剖面,但该结构接地面需要H形开口,在实际应用中要求离物理地面有一定的高度。同时,对多频化的研究也在不断地进行[4-7],例如文献[4]通过在矩形辐射元周围加载多个金属环并采用微带线进行非接触耦合馈电的方法,有效地实现了多频段设计,但在工作频带内带宽都比较窄。因此有学者提出了新型的多频段天线[8-10],例如文献[8]采用增加寄生谐振单元的方法,既有效地减小了天线尺寸,又保证了多频段天线的带宽。

综上可知,目前利用单个低剖面辐射元实现多频段且保证带宽的天线设计方法的相关研究较少。本文在已有研究的基础上,提出并设计了一种新型的低剖面三频宽带微带天线,天线各性能均能满足应用需求。

1 天线结构

本文微带天线设计主要考虑因素包括阻抗带宽、多频段、天线尺寸以及辐射场方向图。

一般的矩形微带贴片天线由辐射元、介质层以及参考地板3部分组成。其纵向尺度约为1/2工作波长时,在对应频点上辐射元表面电流同向分布,在辐射元法向有最大辐射电场产生谐振辐射。但此时只能产生单一的谐振频点,如果不做结构上的调整,那么无法在单天线下实现多频段的工作特性。

本文提出的单极子三频微带天线如图1所示。

图1 天线模型及几何参数

该天线采用50 Ω微带线位于贴片的中点处馈电,天线辐射单元主要由双G型结构和U型陷波结构构成,并且印刷在相对介电常数为4.4、损耗角正切值为0.02、尺寸大小为58 mm×69 mm×1 mm的FR4-epoxy基板上,上、下两面的敷铜层厚度为0.035 mm。利用曲流技术在原始矩形贴片上对称产生双G型结构,即把原单个辐射元增加了电尺寸长度,并进行弯曲产生多个谐振频点，因此能满足多频段的工作要求。

由于矩形微带天线的单谐振频点的阻抗带宽相对较窄,考虑到实际通信系统环境多径效应的影响,对天线极化纯度要求不高。在矩形贴片的4个边角采用对称的切角结构产生极化稍有差异的双谐振特性,以提高小尺寸微带天线的阻抗带宽。为了使在GSM 1800和WLAN频带之间的频谱资源不对工作频带内的信息产生干扰,提高天线工作的隔离度,实现特定频段内的工作目的,贴片的中部利用开槽技术蚀刻出U型槽以实现陷波功能。

天线辐射单元整体呈正方形,微带馈线位于辐射单元宽边中心，天线结构紧凑、易于制作。通过电磁仿真软件HFSS优化后的参数见表1所列。其中,天线的厚度h=1.0 mm;地板的长、宽分别为L7、W0;微带馈电的长、宽分别为L1、W1;天线整体的长、宽分别为L0、W0。

表1 天线的结构参数 mm

2 仿真结果分析

2.1 S11曲线分析

天线阻抗特性曲线的仿真结果如图2所示。

图2 天线的S11曲线

由图2可以看出,天线在S11≤-10 dB (S11为天线的回波损耗)的工作频带范围为861～964 MHz、1.53～1.99 GHz、2.2～2.64 GHz,实现了对GSM 900/GSM 1800、北斗B1、S频段以及WLAN频段的全覆盖。绝对带宽分别为103、460、440 MHz;相对带宽分别为11.4%、26.7%、18.3%。在工作频段内,其中心频率为0.90、1.72、2.40 GHz。按此频率并考虑基板的介电常数影响,基板相对厚度约为0.013λd(λd为基板中介质波长),属于薄基板,实现了低剖面。与相对带宽不超过3%的传统微带天线相比,本文天线实现了宽带化。

由图2可知,天线的第1个谐振频点由对称的双G型结构以及贴片中间部位辐射单元产生;第2个谐振频点由双G型靠近边缘的小对称切角贴片辐射单元产生;第3个谐振频点由靠近馈线的大对称切角贴片辐射单元产生。该天线辐射原理简单,有效地实现了天线的多频段特性,并且实现了结构上的简化。

2.2 参数分析

为了更好地分析天线的辐射特性,本文给出了具有代表性的参数W1、h、W8对S11的影响。

参数W1对S11曲线的影响如图3所示。馈线的宽度决定了微带天线的阻抗匹配,图3表现了不同宽度对天线回波损耗的的影响。随着馈线宽度W1逐渐变宽,天线的3个谐振中心频率均向下偏移,而高频段的回波损耗逐渐降低。这是由于微带线的特征阻抗变化的结果,其计算公式近似为:

0.667ln(ω/h+1.444)]}

其中，ω为中心数率对应的解频率。

当W1增加时,微带线的特性阻抗随之减小,造成与微带天线的阻抗失配。当W1=2 mm时，天线在3个工作频段范围内性能达到最优。同时验证了在介电常数为4.4～4.5时,50 Ω的微带线宽度为2h左右。

图3 参数W1对S11曲线的影响

参数h对S11曲线的影响如图4所示。由图4可以看出,随着介质基板厚度的增加,中频段的谐振中心频率随之增加,低频段和高频段却呈现相反的特性,中心频率随之下降。考虑到谐振中心频率,取h=1 mm，此时谐振频率为最佳。

图4 参数h对S11的影响

参数W8对S11曲线的影响如图5所示。由图5可以看出，随着W8长度的增加,天线的低频段和高频段谐振中心频率也随之增加。其中在高频工作频段内呈现双谐振特性,这是由于对称切角产生了2个不同长度的电流路径,即形成了2个谐振频点并且存在简并现象。当W8增加时,2个谐振频点的电流路径不断地逼近,谐振频率也相互靠拢,形成了如W8=14 mm时看似单谐振的情况。在兼顾考虑阻抗带宽以及谐振中心频率的情况下,取W8=12 mm，此时天线的性能达到最优。

图5 参数W8对S11曲线的影响

2.3 陷波特性分析

为了使天线在特定的频段内工作而不受其他频段信号的干扰,本文所设计的单极子微带天线采用了陷波结构,使频率在2.1 GHz附近被隔离。有U型陷波结构、无U型陷波结构以及U型槽不同长度的S11曲线对比如图6所示。

图6 U型陷波结构对S11的影响

由图6可知,在没有U型陷波结构时，S11≤-10 dB的带宽为1.53～2.50 GHz,使得天线在不需要的频段内接收信号,造成了对有用信号的干扰;加入U型陷波结构后,随着U型缝隙尺寸的增加,陷波中心频率随之下偏,原因是U型缝隙的长度L为目标陷波中心频率对应波长的1/2。

根据天线的结构图和尺寸可得:

(1)

其中,λeff为天线U型陷波的波长,其表达式为:

(2)

其中，εeff为介质基板的阶电常数。

由此可得U型缝隙的长度估算公式为:

(3)

因此,缝隙长度L越大,其陷波中心频率越低。当L=21 mm时,天线各性能达到最好。

2.4 天线的辐射特性

天线在谐振中心频率为0.90、1.72、2.40 GHz的E面(yoz面)和H面(xoz面)方向的仿真结果如图7所示。由图7可以看出,在谐振中心频率上,仿真的最大增益分别为1.08、2.02、3.47 dBi。其中,在E面呈现“8”字型,在H面近似呈现全向型,说明该天线呈现单极子天线的辐射特性,辐射性能良好。

图7 天线的辐射方向

3 结 论

针对目前单天线实现多频段工作的应用要求,本文设计了低剖面三频微带天线。采用微带线在其宽边中心馈电,辐射元尺寸为38 mm×38 mm×1 mm,真正实现了低剖面,并且避免了在实际应用中要求离物理地面有一定高度的需求。通过在原始贴片上采用曲流技术和U型陷波结构实现了单天线的多频辐射特性。HFSS的仿真结果表明,天线的工作频段为861～964 MHz、1.53～1.99 GHz、2.2～2.64 GHz,能够很好地满足GSM 900/GSM 1800、北斗B1、S频段以及WLAN工作频段范围的要求。并且各工作频段的相对阻抗带宽均超过传统微带天线3%的相对阻抗带宽,实现了宽带化。通过对天线的回波损耗、参数分析和辐射方向图等研究可知,该天线结构简单紧凑、低剖面、辐射特性良好,非常适用于无线通信系统的应用。

[1] MUKAIYAMA T,ARIA H,EBINE Y.Bi-directional notch and crank-shaped antenna[C]//Asia-Pacific Microwave Conference.[S.l.]：IEEE,1997:417-420.

[2] ARAI H,KOHZU K,MUKAIYAMA T,et al.Bi-directional notch antenna with parasitic elements for tunnel booster system[C]//Antennas and Propagation Society International Symposium.[S.l.]：IEEE,1997:2218-2221.

[3] 肖勇才,李卓群.新型低剖面辐射单元及小型双极化天线 [J].微波学报,2014,30(3):37-40.

[4] LI B,YAN Z H,ZHANG T L,et al.Dual-band antenna with U-shaped open stub for WLAN/WIMAX applications[J].Journal of Electromagnetic Waves and Applications,2011,25(17/18):2505-2512.

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[9] SHU P,FENG Q.Design of a compact quad-band hybrid antenna for compass/WiMAX/WLAN applications[J].Progress in Electromagnetics Research,2013,138(2):585-598.

[10] 王公晗,冯全源.平面小型化三频微带天线[J].探测与控制学报,2014,36(5):64-67.

(责任编辑 胡亚敏)

Design of novel low-profile microstrip antenna with tri-band

YANG Kerong, YANG Mingwu, ZHANG Qingchun, ZHANG Zuhua

(School of Electronic Science and Applied Physics, Hefei University of Technology, Hefei 230009, China)

Aiming at the single antenna multi-band operation requirements, a new type of low-profile compact tri-band microstrip patch antenna is proposed and designed. The radiating elements of the antenna are composed of a double G and U-shaped notch structure. The height of the antenna is 1 mm, truly a low profile. The simulation results using Ansoft HFSS software show that its working frequency band is 861-964 MHz, 1.53-1.99 GHz and 2.2-2.64 GHz. The full coverage of GSM 900/GSM 1800, BeiDou B1, S-band and WLAN frequency band is realized. The antenna has small and simple structure as well as good radiation characteristic and it is easy to manufacture, which can be well used in modern wireless communication systems.

low profile; tri-band; broadband; band-notched characteristic; microstrip antenna

2015-10-12；

2015-11-17

国家自然科学基金青年科学基金资助项目(61501159)

杨克荣(1993-),男,安徽六安人,合肥工业大学硕士生; 杨明武(1958-),男,安徽滁州人,合肥工业大学教授,硕士生导师.

10.3969/j.issn.1003-5060.2017.01.012

TN914

A

1003-5060(2017)01-0063-05