小型化宽带光透明天线的设计

王明丽，韩丽萍

（山西大学 物理电子工程学院，山西 太原 030006）

0 引言

随着物联网和5G 时代的到来，移动终端向着超薄化和多功能化的方向发展，因此对天线性能的要求越来越高，但是留给天线的设计空间却极其有限。传统的金属天线还会严重影响人们的视觉感受，降低其美观性［1］。光透明天线凭借其易共形、隐蔽、高光学透明性和良好导电性克服了这些影响，成为汽车玻璃、建筑窗口、智能屏幕显示器、太阳能电池板以及可穿戴设备等领域的研究热点，引起了大量研究人员的广泛关注［2］。

光透明天线由透明度高且导电性能良好的材料制成，目前常用的有金属氧化物薄膜［3-5］、多层薄膜［6-8］和金属网格［9-11］等材料。其中文献［3］采用铟锡氧化物（ITO）薄膜材料实现了一个工作在5.8 GHz 的光透明天线，透光率为90%。文献［6］采用IZTO/Ag/IZTO 多层薄膜材料实现了一个工作在2.45 GHz 的光透明天线，透光率为80.78%。文献［9］采用金属网格材料实现了一款工作在2.46 GHz～2.94 GHz 的机械可重构光透明天线，透光率为32%～44%。针对现代通信终端的高集成需求，国内外学者提出一些小型化光透明天线［12-13］和宽频带光透明天线［14-16］。文献［12］利用零阶谐振特性实现天线的小型化，采用金属网格结构使得天线的透光率为90%。文献［13］通过在谐振腔侧壁加载金属条带的方法减小天线的尺寸，透明聚合物实现了90%的透光率。文献［15］采用层叠结构展宽天线的频带，金属网格作为辐射单元达到70%的透光率。文献［16］采用单极子天线使得带宽达到83%，金属氧化物薄膜AgITO 实现52%的透光率。文献［17］提出一种小型化宽带光透明天线，通过在辐射贴片下方加载环形水环结构减小天线的尺寸，选用厚介质基板实现41.8%的相对带宽，水作为辐射单元使得透光率达到100%。随着无线通信设备的超薄化与多功能化，结构简单易共形的小型化宽带光透明天线将具有广泛的应用前景。

本文采用ITO 薄膜材料和玻璃基板设计了一款光透明微带天线。选用宽带单极子天线，通过曲流技术实现天线的小型化。结果表明，天线工作在1.57 GHz，相对阻抗带宽为16.56%，透光率大于95%。天线结构简单，易于集成在各种透明移动设备，在未来无线通信系统中更有竞争力。

1 天线设计

1.1 天线结构

天线的结构如图1 所示，矩形贴片、共面波导馈线和共面波导接地面均印刷在介质基板的上表面。矩形贴片的上方和左下方分别蚀刻一个倒T 形开路缝隙和一个勺形开路缝隙，增加了贴片上电流路径的长度，实现了天线的小型化。为了改善天线的交叉极化性能，在矩形贴片的右下方蚀刻一个对称的勺形开路缝隙。利用电磁仿真软件HFSS V13.0仿真分析。贴片和接地板均采用电导率为1.2×105S/m 的ITO 薄膜，介质基板采用相对介电常数为5.5，厚度为2.0 mm 的玻璃。优化的参数为：L=60 mm，W=55 mm，lP=40 mm，wP=30 mm，lf=17 mm，wf=2 mm，s=0.4 mm，lg=16 mm，l1=3 mm，l2=8 mm，l3=8 mm，w1=2 mm，w2=22 mm，w3=2 mm，w4=8 mm，w5=1 mm，ws=1 mm，d=4 mm。

图1 天线结构示意图Fig. 1 Configuration of antenna structure

图2 给出了天线结构的演变过程。Ant. 1 是共面波导馈电的矩形单极子天线，Ant. 2 是加载倒T形缝隙的矩形单极子天线，Ant. 3 是加载倒T 形缝隙和勺形缝隙的单极子天线，Ant. 4 为本文提出的天线。四种天线结构对应的反射系数曲线如图3 所示。从图中可以看出，Ant. 1 的工作频率为1.94 GHz；Ant. 2 中倒T 形缝隙增加了电流路径的长度，工作频率降低为1.81 GHz；Ant. 3 通过在贴片的左下方刻蚀一个勺形缝隙，进一步增加电流的路径长度，天线的工作频率降低为1.61 GHz；Ant. 4 中的对称勺形缝隙基本不影响工作频率，主要改善天线的交叉极化性能。图4 为Ant. 3 与Ant. 4 的辐射方向图。由图可知，加载对称勺形缝隙的Ant. 4 与Ant. 3 相 比，E 面 交 叉 极 化 由-15 dBi 降 低 为-38 dBi，H 面 交 叉 极 化 由-23 dBi 降 低 为-27 dBi。结果表明，本文天线的工作频率为1.57 GHz，-10 dB阻抗带宽为260 MHz（1.44 GHz ～ 1.7 GHz），相对带宽为16.56%。

图2 天线结构演变过程Fig. 2 Evolution of antenna structure

图3 图2 中天线的反射系数Fig.3 Reflection coefficients of antennas in Fig.2

图4 Ant. 3 和Ant. 4 的辐射方向图Fig.4 Radiation patterns of Ant. 3 and Ant. 4

1.2 参数分析

通过分析结构参数对天线性能的影响，发现勺形缝隙的长度与位置是影响天线谐振频率的主要因素。在分析某一参数对天线性能的影响时，其他参数均保持不变。图5 给出了勺形缝隙长度变化时的反射系数。从图中可以看出，当勺形开路缝隙长度ls（ls=w3+2×l3+2×w4-w5）从29 mm 增 加 到37 mm 时，谐振频率从1.67 GHz 降低到1.44 GHz。勺形开路缝隙的位置对反射系数的影响如图6 所示。从图中可以看出，随着勺形缝隙与贴片下边缘之间的距离d增加，谐振频率逐步降低。根据设计要求工作频率为1.5 GHz，本文选取ls=33 mm，d=4 mm。

图5 不同缝隙长度时的反射系数Fig.5 Reflection coefficients for different slot length

图6 不同缝隙位置时的反射系数Fig.6 Reflection coefficients for different slot position

2 结果与讨论

2.1 透光率

ITO 薄膜的表面电阻Rs 计算公式为［18］：

其中，σ是ITO 薄膜的电导率，h是ITO 薄膜的厚度。天线的贴片和接地板均采用电导率为1.2×105S/m的ITO 薄膜，通常薄膜厚度为100 nm～1 000 nm，根据公式（1）可得薄膜的表面电阻取值在8.3 Ω/sq～83 Ω/sq 之间。图7 给出了ITO 薄膜的透光率随表面电阻的变化曲线，由图可以看出，透光率随着表面电阻的增加而增加，当表面电阻大于8.3 Ω/sq 时，薄膜的透光率大于95%。因此，天线在工作频段1.44 GHz～1.7 GHz 范围内透光率大于95%。

图7 薄膜透光率与表面电阻的关系Fig. 7 Relationship between transmittance and surface resistance of film

2.2 反射系数

天线仿真的反射系数曲线如图8 所示。从图中可以看出，天线的工作频率为1.57 GHz，-10 dB 阻抗带宽为1.44 GHz ～ 1.7 GHz，相对带宽为16.56%，匹配良好。

图8 天线仿真反射系数Fig. 8 Simulated reflection coefficients of antenna

2.3 辐射方向图

天线在中心频率1.57 GHz 处仿真的辐射方向图如图9 所示。从图中可以看出，主极化方向图呈现出一个典型的单极子特性，在H 面是全向型，E 面呈“8”字型，交叉极化水平比主极化水平在E 面和H面分别相差-39 dB 和-28 dB，在最大方向上的峰值增益为1.09 dBi，满足无线通信系统的基本要求。

图9 天线仿真辐射方向图Fig. 9 Simulated radiation patterns of antenna

最后，表1 给出本文与文献光透明天线的性能比较。由表可知，本文提出的天线与小型化光透明天线［12-13］相比，透光率提高了5%，相对带宽分别由1.76%和14%提高到16.56%。与宽带光透明天线［14-16］相比，本文天线的尺寸最小，透光率分别提高了25%，25%和43%。与小型化宽带光透明天线［17］相比，本文天线的尺寸明显减小，结构简单易于集成。

表1 光透明天线的性能Table 1 Performance of optically transparent antenna

3 结论

本文设计了一种应用于L 波段的小型化宽带光透明微带天线。通过在辐射单元蚀刻开路缝隙的方法实现小型化。采用共面波导馈电的单极子结构不仅实现了宽带特性，更使得天线结构简单，易于制作。电导率为1.2×105S/m 的铟锡氧化物薄膜材料印刷在2 mm 厚的玻璃基板上，透光率大于95%。天线在整个工作频段内具有稳定的辐射方向图，可以满足应用在L 波段的无线通信系统使用。