基于特征模理论的超宽带单极子天线设计

王 岩, 李奕欣,2, 王 昊, 丁振东, 陶诗飞,*

(1.南京理工大学电子工程与光电技术学院, 江苏 南京 210094; 2.中天通信技术有限公司, 江苏 南通 226000)

0 引 言

随着时代的发展,人们对通信速率和质量的要求越来越高,向大容量、高速率方向发展的无线通信技术成为了当下无线通信领域的主要目标[1-2]。超宽带[3-4](ultra-wideband,UWB)天线可以极大提高无线通信系统的信道容量,频谱效率和工作带宽范围,有着广阔的应用前景。实现超宽带天线的方法有改变介质板的相对介电常数、引入孔结构[5]、开槽[6-8]、寄生贴片[9-12]、共面波导结构[13-15]、改变天线馈电结构和方式等。但是这些方法都是根据经验和通过不断尝试得出来的,并没有很贴切的物理解释。

为了更加直观、具体,科学地分析天线带宽展宽的原理,基于特征模理论的分析方法在天线设计领域中得到了广泛的运用[16-19]。特征模理论揭示了天线的物理本质,指出了天线的谐振特性只和天线自身的结构、材料和尺寸参数等固有属性有关,而与馈电方式位置,外加激励源等外部条件无关,对于天线设计工作有着更好的指导作用。对于UWB天线而言,低频段一般是主模贡献辐射带宽,而高频段一般是高次模作为主要的工作模式,高次模和低次模一般互不影响[20],因此对于UWB天线而言,不仅仅要激励起主模,还要合适地激起高次模来达成拓展带宽的目的。

文献[21]中提出了一种基于特征模分析的低剖面环形结构UWB天线。该文献首先对椭圆环形圈结构天线的前3个特征模式进行了特征模式分析(characteristic mode analysis, CMA),根据分析得到的结果在内部开槽后在天线内部放置了寄生环形贴片,分别用于激励特征模式达到所需的效果,最终天线在470～987 MHz的范围内能够得到-10 dB以下的阻抗匹配带宽。文献[22]中分析设计了一种在金属地板上开槽的UWB圆极化天线,在模式1和模式2的强电流位置放置了一根矩形条作为馈源,天线的模式1和模式2都被成功激发,得到了宽带性能。文献[23]中提出了一款开槽的宽带天线,分析了6种模式,最终设计的绝对带宽为1.7 GHz,相对带宽为59.6%,达到了UWB要求。

Garbacz于1971年首次提出特征模理论[24],由Harrington等人[25-26]梳理完善,特征模理论是目前研究领域逐渐兴起的一种分析方法,其能够运用于电磁计算[27-28]、数据分析[29-30]等多重领域。现阶段,其模式追踪方法[31]大致分为4种:特征值的模式追踪方法、特征电流的模式追踪方法、特征电场的模式追踪方法、混合追踪方法。其和矩量法[32]同样重要,虽没矩量法运算速度快,但可以提供清晰的原理性分析,大大提高了天线设计的效率。

本文结合特征模理论通过改变天线结构以引入4种所需的特征模式在天线目标频段内谐振,并采用微带线馈电成功激励起这4种特征模式,最终设计了一种工作带宽为2.8～16.6 GHz且增益稳定的单极子天线。

1 天线模式分析

1.1 窄带单极子天线模式分析

首先对一种简单结构的单极子天线进行特征模式分析,通过改变其结构来激发所需的特征模式,从而达到天线带宽的效果。初始单极子天线结构如图1所示。

图1 初始单极子天线结构

该天线由金属贴片、介电常数为4.4的FR4介质板组成(厚度为1.5 mm)。本天线采用CST2019软件和HFSS软件对天线综合设计。图2是在CST软件下的5种特征模式的谐振点电流分布。

图2 初始天线结构的模式1到模式5的谐振点电流分布

通过分析以上仿真结果可得知模式1的模态电流分布在单极子贴片上是呈现沿着x轴朝向馈电端口流动的,且在馈电端口附近的电流分布较为密集。对于模式2,其在单极子贴片上的电流流向是沿着y轴负方向流动的。因此,通过分析比对,得出模式1和模式2为一对相互正交的特征模式。模式3的电流行为在贴片上所呈现的是以闭合的环状形式流动的,这种模式相较于其他特征模式更加难以被激发,难以在天线目标频段内发生谐振。可知,通过观察天线的特征值、特征角(characteristic angle, CA)和模式显著性(model significance, MS)曲线来分析各个模式的辐射性能。

特征值代表的是物体储能和辐射能量的比值,当其值越接近0,代表对应的工作模式辐射性能越好,越容易发生谐振。分析图3可知,模式1和模式2在考察的频率范围内都具有良好的辐射潜质,而模式4和模式5在f<8 GHz时不具有辐射潜质,但在高频段可谐振。为了进一步分析每个工作模式的辐射情况,本文分析了天线的CA和MS。CA表述的是天线的谐振性能,当CA越接近180°,则该模式越容易谐振,反之则越难谐振;而MS反应的是天线的工作模式在考察频段内所占的比重,当一个模式的MS为1时,代表该频点所对应的特征模式为天线主要的工作模式。CA为180°的点与MS为1的点相互对应。由图4和图5分析可得,模式1和模式2分别在7.04 GHz和5.90 GHz处发生谐振,模式1在6～9 GHz频段内的CA一直保持在180°附近,MS也均大于0.9。模式4和模式5在f>9 GHz的频段内的MS一直保持在1附近,因此在高频段模式4和模式5具有被激发为宽频的潜质,作为天线主要的工作模式辐射能量。而模式3的CA在考察频段内一直处于180°之下,难以被激励。下文对天线结构进行改变,使得模式1和模式2在目标频段内谐振。

图3 初始天线结构的特征值

图4 初始天线结构的CA

图5 初始天线结构的MS

1.2 引入渐变结构天线模式分析

通过分别观察第1.1节中模式1和模式2的模态电流分布,这里使用一种在强电流分布比较密集的位置引入渐变结构的方法来激励起模式1和模式2。这种方法可以有效激励起所需要的工作辐射模式,使得天线的谐振模式从一个谐振点较为平稳地过渡到另一个谐振点,有助于展宽天线带宽,引入渐变结构后的单极子天线如图6所示。

图6 引入渐变结构后的天线

对该天线进行特征模式分析,得到模式1～模式5的模态电流分布如图7所示。

图7 引入渐变结构的模式1到模式5的谐振点电流分布

通过比对天线引入渐变结构前后的模态电流分布,发现引入渐变结构后模式1和模式2的电流流向相较于初始天线电流相位改变了180°。单极子贴片上模式4和模式5的模态电流分布相互正交,而模式3仍然为不易谐振的闭合环状电流。为了更加细致地分析模式1和模式2的辐射特性,需要观察模拟的CA和曲线图,分别如图8和图9所示。

图8 引入渐变结构的CA

图9 引入渐变结构的MS

分析发现,引入渐变结构后模式1的谐振频点有所提前,由引入前的7.04 GHz降低到6.43 GHz,和模式2的谐振频点更为靠近,在低频段(f<8 GHz)内更容易被激发辐射。模式4和模式5的谐振频率点位置均向高频段偏移,分别从9.00 GHz和9.30 GHz移动到了10.00 GHz和12.43 GHz并依然作为天线高频段的主要工作模式。因此,当模式4和模式5被激励时,相比初始天线,引入渐变结构后的天线在高频段的阻抗匹配性能将会更好。而模式3在考察频段内的CA均低于180°难以被激励。天线表面的电流分布一般是由一种或几种特征模式的模式电流组合而成,因此为了分析在引入渐变结构后的模式1和模式2被激励的情况,需要模拟天线激励馈电后分别在模式1的谐振频点(f=6.43 GHz)和模式2的谐振频点(f=6.12 GHz)处天线表面的电流分布图。f=6.43 GHz时和f=6.12 GHz时天线表面的电流分布如图10所示。

图10 激励馈电后渐变结构天线表面电流分布图

比较图7(a)和图10(a)发现,馈电激励后单极子天线表面的电流流向分布和模式1的模态电流分布基本一致,因此模式1在对应的谐振频点处被显著激发。而f=6.12 GHz时的电流分布虽然和模式2不一致,但是经过细致分析发现,f=6.12 GHz时天线顶部弧形区域和天线底部的电流流向有着向内收敛的趋势,这是因为受到了y方向上模式2电流的影响,天线底部和天线顶部恰好是模式2的强电流区域。再结合图9中的MS发现模式2的谐振频点处,模式1的MS系数也接近1,这就意味着在f=6.12 GHz处模式1依旧处于被显著激发的状态,而模式2虽然也被激励,但是被激励的程度不及模式1,在天线工作模式中占比低于模式1。因此,模式1和模式2被有效激发,作为天线低频段(f<8 GHz)内的主要工作模式贡献辐射。为了使天线在整个频段内都具有良好的带宽特性,接下来还需要激励能够在高频段(f>8 GHz)发生谐振的模式4以及模式5。

1.3 引入矩形槽天线模式分析

观察图7(d)和图7(e)后发现模式4和模式5的强电流位置分布在天线的中心区域以及靠近顶部弧形的上部区域。为了激起这两种特征模式,采取在上述区域位置对单极子天线开槽的操作。在对上述天线的模式4和模式5的强电流位置开一个长条矩形槽后,经过参数优化后最终的天线结构布局如图11所示,天线尺寸参数如表1所示。

图11 最终天线结构布局

表1 天线尺寸参数

对开槽后的天线进行CMA,因为模式1和模式2已经被成功激励,因此只需要模拟模式3,模式4和模式5的模态电流分布,结果图12所示。开槽后,模式3仍旧为难以激励的闭合环形电流,开槽对模式3的电流模态分布并未产生影响;再分别比对模式4和模式5在开槽前后的模态电流分布图,发现模式4和模式5的模态电流分布流向发生了180°的相位改变,但是这两种特征模式依然保持相互正交的关系。开槽天线的CA和MS曲线图如图13和图14所示。

图12 引入矩形槽的模式3到模式5的谐振点电流分布

图13 引入矩形槽的CA

图14 引入矩形槽的MS

在强电流位置处开槽使得模式4和模式5的谐振频率降低,开槽前后的模式4的谐振频点由10 GHz提前到了6.5 GHz,且CA曲线变得更加平缓,在高频段所具有的辐射潜质相较于开槽前大大降低,由高频段的辐射模式转变为了同模式1、模式2类似的低频段的辐射模式。因此,在10.55 GHz频点处,模式5将作为单独的工作模式辐射能量。模式3相较于开槽前,被抑制的程度更加明显,在考察频段内更加难以被激励,因此在对激励馈电后的天线进行电流分布分析时对其他工作模式的影响更小。

为了分析在开槽后的模式4和模式5被激励的情况,需要模拟天线激励馈电后分别在模式4的谐振频点(f=6.50 GHz)和模式5的谐振频点(f=10.55 GHz)处天线表面的电流分布图。f=6.50 GHz时和f=10.55 GHz时天线表面的电流分布如图15所示。分析得出,图15(b)的电流行为和模式5的天线表面模态电流分布基本一致,因此可以断定,在f=10.55 GHz的频点处,模式5被显著激发。对于模式4,比对图15(a)和图12(b)并结合图14所示的MS曲线,模式4在被激励的同时,所对应的频点处模式1的MS系数也接近1,故模式1也处于极其容易被激励的状态,天线表面电流行为还受到了模式1的电流的影响。综合前文分析结果,模式1～模式5都在一定程度上被有效激励,并且依次有助于天线的最终辐射。

图15 激励馈电后最终设计的天线表面电流分布

2 天线性能分析

为了更加直观细致地分析本文设计天线,图16和图17分别展示所设计天线的回拨损耗和增益。

图16 S11比对图

图17 天线增益比对图

通过图16,本次设计天线在2.88～16.60 GHz内阻抗匹配良好,相对带宽fcc达到了140.86%,达到了UWB的技术指标且覆盖了UWB频段(3.1～10.6 GHz)。增益范围在0.96～7.64 dBi。本文设计的天线在工作频段内的增益稳定且良好。因此,设计改进后的天线无论是阻抗匹配还是天线增益方面的性能得到了一定程度上的优化。表2是参考文献对比结果,可知,本设计天线的带宽较宽,增益较高,且尺寸较小。在E面方向和低频段的H面方向上,该天线的全向性良好,具有近似于全向的辐射模式方向图,增益稳定。但随着频率的逐渐升高,该天线的H面方向上的增益会发生一定程度的失真,并且辐射趋势由垂直方向上的强辐射逐渐变为水平方向上的强辐射，如图18所示。

表2 6款UWB单极子天线参数对比

图18 E面和H面辐射方向图

3 结 论

本文介绍了一种具有UWB特性的平面单极子天线的设计分析过程。此次设计以特征模理论为切入点,通过对天线的前5种特征模式进行分析,并且根据各个模式的模态电流分布、CA、MS参数特性来确定具有良好谐振性能,可被激励的模式,而后改变天线结构和采用合适的馈电方式来激发相应模式,达到带宽的效果,完成天线的最终设计。设计完成的天线具有140.8%的阻抗带宽,并且在工作频段内天线的增益稳定且良好,能够较好地工作和辐射能量。相对于参考的天线而言,本次设计的天线在特征模理论的指导作用下,天线结构方面作出了一些创新和改变,并且在天线的回波损耗和增益方面都有一定程度上的优化和改进。相对传统天线设计方法,本文采用的天线设计方法提高了天线设计的效率。