基于啞鈴型缺陷地結構的多頻微帶貼片天線設計

葉朝陽

(北京郵電大學 國際學院 北京 100876)

0 引言

為適應無線通信的發展,多頻帶天線的設計已成為研究熱點[1-2]。文獻[3-5]通過在貼片或接地板刻蝕槽縫的方式,激勵多個諧振模式,從而實現多頻工作模式。文獻[6-8]采用幾何分形結構的方法設計出滿足多頻帶工作及小型化目標的天線。文獻[9-11]使用超材料實現天線多頻帶工作。文獻[12]通過地在其近場加載折疊線階躍阻抗諧振器(Stepped Impedance Resonators,SIR),實現了雙頻全向輻射的天線設計。

微帶貼片天線具有低剖面、低損耗、方便加工和易于集成等優勢,貼片及接地板刻蝕槽縫的方法因為易于集成,易于加工而被廣泛應用。

文獻[13]通過在矩形貼片表面刻蝕U形和H形槽縫的方式,設計了雙頻微帶天線,工作頻率為1.85 GHz和2.45 GHz,并從表面電流分布的角度分析了不同參數對諧振頻率的影響。

缺陷地結構(Defected Ground Structure, DGS)是在微帶線、共面波導等傳輸線的金屬接地板上刻蝕周期或非周期的各種柵格結構,改變傳輸線的分布電感和分布電容,使傳輸線具有帶隙特性和慢波特性[14]。

DGS具有多種形式:線性槽、環形槽、U型槽、互補開口環諧振器(Complementary Split-Ring Resonator,CSRR)以及螺旋型DGS等。

文獻[15]提出了一種通過加載E型單元DGS結構滿足WiMAX以及WLAN應用的多頻天線。天線同時工作在2.56 GHz(WiMAX)、3.64 GHz(WiMAX)和5.8 GHz(WLAN)這3個頻點,可通過調整E型結構參數完成多個諧振頻點的實現。文獻[16]分別將2種不同的DGS結構(矩形槽以及三角形槽)加載到矩形貼片天線的接地板上,實現了3個諧振頻點工作,其工作頻率覆蓋空管監視(Airport Surveillance 2.7～2.9 GHz)、WiMAX(5.8 GHz)或WLAN(5.8 GHz)以及歐洲直播衛星(Europe DBS 10.7～12.75 GHz)。文獻[17]構造了雙X型槽縫的DGS,分別加載到羅杰斯5880 和羅杰斯4350兩種介質基板上,比較了加載DGS對天線的性能的影響。通過加載DGS,可實現帶寬增加和尺寸的減小。

本文設計了一款在貼片刻蝕雙三角形套環并在接地金屬板加載啞鈴型缺陷地結構(Dumbbell DGS, DB-DGS)的矩形微帶貼片天線。利用電磁仿真軟件CST STUDIO SUITE對天線結構進行參數仿真和優化。天線同時工作在2.45 GHz(WLAN)、 3.5 GHz(WiMAX)和5.25 GHz(WLAN)這3個諧振頻點,天線的回波損耗、帶寬以及增益等性能指標較好,阻抗匹配良好。與其他具有DGS的天線相比,本文提出的三頻段天線輻射性能較好,DGS的設計較為簡單,易于加工制作。

1 DB-DGS的分析與等效電路

第一個DGS由Ahn等[18]學者提出,由于形狀像啞鈴而得名,它是由一個縫隙連接2個矩形而成,矩形邊長分別為a和b,狹縫的長度為s,寬度為g,DB-DGS如圖1所示。

圖1 DB-DGS Fig.1 DB-DGS

根據的頻率響應曲線,可將DB-DGS等效為一個集總參數電路。DB-DGS等效電路模型如圖2所示。

圖2 DB-DGS等效電路模型Fig.2 Equivalent circuit mode of DB-DBS

根據DB-DGS滿足LC電路的諧振條件,ω02=1/LC,因此,等效電容C和等效電感L的計算如下:

(1)

(2)

式中:C為等效電容,L為等效電感,Z0為輸入/輸出特性阻抗,ω0為LC諧振電路的諧振角頻率,f0為諧振頻率,ωc為3 dB角頻率。

文獻[19]對DB-DGS以及多種折疊形式的DB-DGS進行了深入的探討。文獻[20]討論了DB-DGS的尺寸參數對天線傳輸性能的影響。改變DB-DGS的尺寸、位置以及加載DB-DGS的重復數量可以改變傳輸線分布電容和分布電感,進而改善阻抗帶寬、降低回波損耗以及縮小天線尺寸。

2 矩形貼片天線的分析設計

天線設計需對天線性能指標綜合權衡,在滿足指定諧振頻率回波損耗要求的基礎上,主要權衡以下幾個方面:帶寬、天線增益、天線尺寸、介質材料成本和工藝復雜性等。本文選取廣泛使用的環氧樹脂(FR4 Epoxy)介質基板,其相對介電常數εr=4.4,厚度h=1.6 mm,損耗正切tanδ=0.025,貼片和接地板材質為銅,厚度35 μm,介質基板和接地板的尺寸相同,長50 mm,寬55 mm。

天線的饋電方式選取同軸饋電方式,提供50 Ω匹配負載,由于同軸線與天線不在同一平面上,可有效抑制來自饋電網絡的雜散輻射,同軸饋電位置為Xf。

貼片天線的寬度為w,長度為l,fr為天線的諧振頻率,εr為介質基板的相對介電常數,c為自由空間光速(c=3×108m/s),εeff和Δl分別為有效介電常數和等效輻射槽縫長度。天線的尺寸根據微帶天線設計理論完成初步設置[21]。

(3)

(4)

(5)

(6)

天線結構如圖3所示。

(a)天線正視圖

(b)天線側視圖(同軸饋電)

天線的諧振頻率指定為2.45、3.5、5.25 GHz。以2.45 GHz為諧振頻率,將介質基板參數代入公式,計算得矩形貼片天線的初始尺寸,貼片寬度w為37 mm,長度l為28 mm。經仿真優化,長度l為27.5 mm,同軸饋電的位置Xf為7 mm。天線在諧振頻點2.45 GHz處的回波損耗為-20 dB,如圖4所示。

3 加載DB-DGS和三角套環的天線分析設計

為實現天線在多個指定頻帶同時工作,在天線貼片上刻蝕2個三角套環槽并在接地板加載DB-DGS。遠離貼片中心點為三角套環1,接近貼片中心點為三角套環2。三角套環1的外側和內側外接圓半徑分別用R1、R2表示,三角套環2的外側和內側外接圓半徑分別用R3、R4表示,2個三角套環距離貼片中心的位置坐標分別用(X1,Y1)和(X2,Y2)表示。DB-DGS的兩側矩形邊長為a(矩形的長度和寬度相同),中間狹縫長為s,狹縫寬度為g,啞鈴狹縫的中心距離地板中心點的位置坐標用(Dx,Dy)表示。加載DB-DGS以及三角套環的貼片天線結構如圖5所示。

(a)天線正視圖

(b)接地板底視圖

經仿真優化,天線的結構參數如表1所示。

表1 天線的結構參數

天線的參數掃描和優化是天線設計的重要步驟。天線的參數掃描圍繞主要參數展開,在設計中,按照參數對諧振頻率的影響顯著性分為以下四部分。

3.1 DB-DGS的狹縫長s對諧振頻率的影響

狹縫長s從8.6 mm增加到14.6 mm,低頻點2.45 GHz附近的頻率特性向高頻有較小偏移;在中頻點3.5 GHz以及高頻點5.25 GHz附近的頻率特性明顯向低頻偏移,并且回波損耗值減小,天線匹配良好。仿真優化后的s取值14.6 mm。狹縫長s對諧振頻率的影響如圖6所示。

圖6 狹縫長s對諧振頻率的影響Fig.6 Effect of slit length s on resonant frequency

3.2 DB-DGS的矩形邊長a對諧振頻率的影響

在狹縫長s取值14.6 mm基礎上,矩形邊長a從2.8 mm增加到5.8 mm。低頻點2.45 GHz附近的頻率特性向高頻有較小偏移;在中頻點3.5 GHz和高頻點5.25 GHz附近的頻率特性向低頻偏移顯著,同時回波損耗值明顯減小,天線匹配良好。由DB-DGS等效電路模型可知,隨著a的增大,電感增大明顯,諧振頻率減小。經仿真優化,a取值5.8 mm。邊長a對諧振頻率的影響如圖7所示。

圖7 邊長a對諧振頻率的影響Fig.7 Effect of side length a on resonant frequency

3.3 DB-DGS的狹縫寬度g對諧振頻率的影響

狹縫寬度g從0.5 mm增加到0. 8 mm,低頻點2.45 GHz附近的頻率特性沒有明顯變化;在中頻點3.5 GHz附近的頻率特性向高頻偏移,但回波損耗值增大。隨著g的增大,電容減小明顯,諧振頻率增大,與DB-DGS等效電路模型分析一致;在高頻點5.25 GHz附近的頻率特性沒有偏移,回波損耗值逐漸減小,天線匹配良好。經仿真優化,g取值為0.8 mm。狹縫寬度g對諧振頻率的影響如圖8所示。

圖8 狹縫寬度g對諧振頻率的影響Fig.8 Effect of slit width g on resonant frequency

3.4 三角套環1外接圓半徑R1對諧振頻率的影響

在貼片上刻蝕的三角套環,可以改變貼片表面電流的分布。在不同的特征模式下,槽縫對表面電流的影響不同。當貼片上的電流被槽縫阻隔時,電流路徑變長,根據天線電尺寸與諧振頻率成反比的規律,會導致諧振頻率減小。此外,槽縫結構之間的相互影響也會導致諧振頻率的變化。

三角套環1的外接圓半徑R1從4.1 mm增加到7.1 mm。低頻點2.45 GHz附近的頻率特性沒有明顯變化;在中頻點3.5 GHz附近的頻率特性向低頻偏移,同時回波損耗值減小,天線匹配良好;在高頻點5.25 GHz附近的頻率特性沒有明顯變化,回波損耗值逐漸減小。經仿真優化,R1取值7.1 mm。外接半徑R1對諧振頻率的影響如圖9所示。

圖9 外接半徑R1對諧振頻率的影響Fig.9 Effect of external radius R1 on resonant frequency

4 結果討論

經優化設計,天線在2.45、3.5、5.25 GHz處諧振,滿足工作需求。天線回波損耗值S11小于-10 dB阻抗帶寬為80 MHz(2.4～2.48 GHz)、120 MHz(3.44～3.56 GHz)和260 MHz(5.11～5.37 GHz),回波損耗值分別為-20.8、-20.6 、-24.0 dB。天線回波損耗結果如圖10所示。

圖10 天線回波損耗結果Fig.10 Return loss result of the antenna

天線的輻射方向圖及3D增益如圖11所示,由諧振頻點的方向圖可知,天線的輻射性能良好;由3D增益可知,天線在2.45、3.5、5.25 GHz三個諧振頻率點的增益分別為2.8、2.2、3.1 dBi。

(a)2.45 GHz處的方向圖及3D增益

(b)3.5 GHz處的方向圖及3D增益

(c)5.25 GHz處的方向圖及3D增益

通過貼片開槽和加載DB-DGS,經仿真優化,天線貼片的尺寸由27.5 mm×37 mm變為28.05 mm×28.2 mm,面積減小了22%。

將本文設計的多頻微帶天線與同類天線的性能對比,如表2所示。5款天線的共同點是應用場景都包含WLAN或WiMAX頻段。本文設計的天線在貼片刻蝕槽縫并加載了DB-DGS,文獻[15]加載了E型單元DGS,與其相比,本文諧振頻率點的回波損耗值更低;文獻[16]采用2種方式加載DGS,分別是三角形槽和方形槽DGS。理論上,對諧振頻點的要求是回波損耗值低于-10 dB。相較于該文獻2種結構下諧振頻點的回波損耗值-12、-11 dB,本文設計的天線阻抗匹配良好;與文獻[22]的2個諧振頻點相比,本文有3個諧振頻點,只需一個天線就可同時滿足多頻帶應用需要。

經印制電路板刻蝕技術制作天線實物,為防止氧化,在銅表面使用鍍錫工藝,加工的天線如圖12所示。使用網絡分析儀對天線進行回波損耗測試的結果如圖13所示。經實際加工測試,驗證了設計方案的可行性。結果表明,天線在2.40、3.44、5.16 GHz三個諧振頻率點的S11值分別為-15、-30、 -25 dB。測量和仿真結果存在差異,這種情況是由制造中出現的工藝誤差以及測試環境因素影響造成的。

圖12 加工的天線Fig.12 Machined antenna

圖13 網絡分析儀回波損耗測試結果Fig.13 Return loss results tested on network analyzer

5 結束語

本文通過貼片刻蝕槽縫以及在接地板加載DB-DGS的方法,實現了一款可同時工作在2.45、3.5、5.25 GHz三個諧振頻點的多頻化天線,滿足WLAN和WiMAX應用;天線取自廣泛使用的環氧樹脂(FR4 Epoxy)介質基板,槽縫加工較為簡單,回波損耗值、帶寬以及增益特性較好,在滿足指定工作頻率的基礎上,輻射特性及阻抗匹配良好。通過分析DB-DGS的等效電路,選取DB-DGS加載到接地板,并對貼片槽縫以及DB-DGS的關鍵參數進行分析,可為天線分析設計提供參考。