房國志， 侯瑞強(qiáng)， 張玉成

(1. 哈爾濱理工大學(xué) 測(cè)控技術(shù)與通信工程學(xué)院, 黑龍江 哈爾濱 150080；2. 哈爾濱電力工程安裝公司 電纜工程處, 黑龍江 哈爾濱 150080)

超寬帶天線的一種設(shè)計(jì)方法

房國志1， 侯瑞強(qiáng)1， 張玉成2

(1. 哈爾濱理工大學(xué) 測(cè)控技術(shù)與通信工程學(xué)院, 黑龍江 哈爾濱 150080；2. 哈爾濱電力工程安裝公司 電纜工程處, 黑龍江 哈爾濱 150080)

根據(jù)電磁場(chǎng)理論提出了一種用于無線通信的微帶貼片天線設(shè)計(jì)方法．根據(jù)天線的工作頻帶，對(duì)天線進(jìn)行結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)及輻射結(jié)構(gòu)的等效電路分析．為了驗(yàn)證該天線結(jié)構(gòu)參數(shù)的有效性，對(duì)該天線進(jìn)行有限元仿真、相關(guān)結(jié)構(gòu)參數(shù)優(yōu)化，以達(dá)到帶寬和輻射最優(yōu)的目的．經(jīng)實(shí)際制作和測(cè)試，結(jié)果表明，該天線的阻抗帶寬 (10 dB 回波損耗)可達(dá) 10 GHz (2.0～ 12.0 GHz)，倍頻帶寬高達(dá)6，其帶寬是十字交叉單極子天線帶寬的3倍之多．此外，該天線在工作頻率內(nèi)具有良好的全向輻射特性和增益水平，天線結(jié)構(gòu)簡單，性能穩(wěn)定，實(shí)用性強(qiáng)．

貼片天線;寬帶;全向;增益

隨著移動(dòng)通信技術(shù)的快速發(fā)展，用戶數(shù)量逐漸增加，無線通信系統(tǒng)數(shù)據(jù)容量增大，這就使得通信終端的天線必須具有較高的數(shù)據(jù)傳輸效率和覆蓋較寬頻帶的能力[1]．同時(shí)為適應(yīng)無線終端小體積、低剖面等要求，天線結(jié)構(gòu)應(yīng)該盡量減小[2]．在這樣的發(fā)展趨勢(shì)下，人們采用體積小、易集成、效率高及分析方法比較成熟的微帶貼片天線來研究天線頻帶的展寬．

目前常用的擴(kuò)展微帶貼片天線帶寬的方式有: 電磁耦合、阻抗匹配網(wǎng)絡(luò)及開槽技術(shù)等．利用這些方法來降低天線等效諧振電路的品質(zhì)因數(shù)，使諧振曲線平坦，達(dá)到比較寬的工作頻帶．文獻(xiàn)[3]中的天線是利用電磁耦合的方式饋電，形成多諧振點(diǎn)耦合諧振．由于貼片大小相差不大，使得諧振頻率彼此靠近，從而達(dá)到展寬頻帶的效果．文獻(xiàn)[4-5]中的天線工作頻帶展寬是通過加載短路阻抗來實(shí)現(xiàn)的，加載的阻抗越大，天線的品質(zhì)因數(shù)越小，相對(duì)應(yīng)的頻帶也就越寬，但是會(huì)使天線的增益減?。虼?，加載短路阻抗的大小成為決定天線增益和帶寬的一個(gè)重要因素．文獻(xiàn)[6-7]中的天線是利用開槽技術(shù)來展寬頻帶的，天線的貼片通過開槽來激勵(lì)多個(gè)諧振模式，形成多個(gè)諧振回路，使這些諧振頻率相互靠近來展寬頻帶．開槽技術(shù)可以減小天線尺寸和增大天線的帶寬，但該類天線設(shè)計(jì)復(fù)雜和計(jì)算難度大，且容易帶來額外的交叉極化分量，使得其一般用于雙頻或者多頻天線設(shè)計(jì)．

采用以上展頻天線的方法雖然在頻帶展寬方面取得一定的成果，但是以犧牲天線的其他性能參數(shù)為代價(jià)的．為了在不影響天線性能的同時(shí)能夠展寬頻帶，筆者在現(xiàn)有的寬頻帶貼片天線設(shè)計(jì)理論的基礎(chǔ)上，以附加貼片天線的形式，設(shè)計(jì)了一種新型的對(duì)稱貼片天線．通過等效電路分析、高頻結(jié)構(gòu)仿真(High Frequency Structure Simulation，HFSS)軟件設(shè)計(jì)仿真以及實(shí)際制作測(cè)試，結(jié)果表明，天線的工作帶寬具有顯著的提升，且天線體積小、性能穩(wěn)定．

圖1 天線的幾何結(jié)構(gòu)

1 天線結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)及電路等效模型

文中提出的天線幾何結(jié)構(gòu)如圖1(a)所示，參考天線的幾何結(jié)構(gòu)如圖1(b)所示[8]．文中天線的尺寸L×W×h= 50 mm× 50 mm× 1.6 mm，基板是相對(duì)介電常數(shù)εr為4.4的玻璃纖維板．天線的輻射結(jié)構(gòu)由4個(gè)基本的矩形貼片組成，其中水平的矩形貼片A和垂直的矩形貼片D共同構(gòu)成傳統(tǒng)十字交叉型貼片天線，貼片C與貼片B關(guān)于天線中心水平對(duì)稱．貼片B的方向由旋轉(zhuǎn)角度θ來確定，所以貼片C的旋轉(zhuǎn)角度為 -θ，貼片的大小尺寸如圖1(a)所示．天線的地板印刷于玻璃纖維板的背面，結(jié)構(gòu)尺寸W×H= 50 mm× 11 mm．該天線是通過寬度為G的 50 Ω 微帶線進(jìn)行饋電，微帶線與輻射結(jié)構(gòu)共面，且饋電間隙(地板上邊緣與貼片下邊緣之間的橫向間隙)寬度為g．

通常對(duì)于任何尺寸小于5 cm的天線都被稱為“電小天線”(λ<2π)，此類超帶寬天線在輸入端表現(xiàn)為一個(gè)電容或是電感，天線輸入阻抗的電抗部分支配著整個(gè)輸入阻抗．從電路的觀點(diǎn)看來，一個(gè)天線被認(rèn)為是一個(gè)有耗的一端口網(wǎng)絡(luò)．在該網(wǎng)絡(luò)中，功率的消耗等價(jià)于天線的輻射功率．

圖2 天線的等效電路模型

對(duì)于文中所設(shè)計(jì)的超帶寬小天線，因?yàn)殡娍拐贾鲗?dǎo)，所以它們能夠被假定低損耗，并且能夠用經(jīng)典的Foster模型進(jìn)行建模[9]，然后采用LC串聯(lián)諧振電路和LRC并聯(lián)諧振電路連接Foster經(jīng)典電路作為天線的電路模型，其中LC串聯(lián)諧振電路類似于高通濾波器，LRC并聯(lián)諧振電路類似于一個(gè)低通濾波器．確定所需要建模天線的工作帶寬和諧振頻率ω0，根據(jù)ω0= 1/ (LC)1/2得到模型中初始電感電容粗略值，具體值要通過在電路仿真軟件微調(diào)等效模型來得到．如果小天線工作在低于第1個(gè)諧振點(diǎn)的頻帶里，則超帶寬貼片天線的等效電路模型如圖2所示．

2 仿真與實(shí)驗(yàn)

在對(duì)天線結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)和等效電路分析的基礎(chǔ)上，使用有限元仿真軟件HFSS13.0對(duì)新天線進(jìn)行了仿真分析，分別對(duì)部分結(jié)構(gòu)參數(shù)變化所導(dǎo)致的結(jié)果進(jìn)行對(duì)比，得出此天線的最佳結(jié)構(gòu)參數(shù)．下面將分別驗(yàn)證旋轉(zhuǎn)角度θ、旋轉(zhuǎn)貼片大小尺寸a、c以及饋電間隙g對(duì)天線性能的影響．

貼片B和貼片C是關(guān)于天線中心水平對(duì)稱的，所以旋轉(zhuǎn)角度θ同時(shí)控制倆個(gè)貼片的位置和方向．當(dāng)θ為90°或者0°時(shí)，文中天線和參考天線相同．當(dāng)θ為其他角度時(shí)，其仿真結(jié)果如圖3(a)所示．從圖中可以看出，θ的變化對(duì)天線的回波損耗具有明顯的影響．當(dāng)θ為30°時(shí)，天線具有最佳的阻抗匹配特性．此時(shí)，天線的阻抗帶寬 (10 dB 回波損耗)可達(dá) 10 GHz (2.0～ 12.0 GHz)，倍頻帶寬高達(dá)6．

圖3 各參數(shù)變化時(shí)天線回波損耗曲線的仿真結(jié)果(W=L=50 mm，G=3 mm，H=11 mm，a=27 mm，c=9 mm，g=1.5 mm，h=1.6 mm， θ=30°)

影響天線阻抗匹配的一個(gè)重要因素是饋電點(diǎn)和地板的耦合效應(yīng)，從圖3(b)可以看出饋電間隙g的變化對(duì)天線帶寬的影響．由于饋電間隙的耦合效應(yīng)會(huì)給天線結(jié)構(gòu)帶來分布電容，與輻射結(jié)構(gòu)的感抗相互補(bǔ)償，從而改善了天線的輸入阻抗．當(dāng)g= 1.5 mm 時(shí)，天線阻抗性能達(dá)到最優(yōu)．天線的帶寬同時(shí)也受貼片上的等效電流路徑的影響，通過改變貼片B、貼片C的結(jié)構(gòu)尺寸來選擇最佳的阻抗匹配特性，仿真結(jié)果如圖3(c)和圖3(d)所示．當(dāng)a= 27 mm，c= 9 mm 時(shí)，天線的阻抗帶寬達(dá)到最大值 10 GHz．

以上分別研究了貼片旋轉(zhuǎn)角度、輻射貼片的結(jié)構(gòu)尺寸、饋電間隙對(duì)天線工作帶寬的影響，通過軟件仿真選取最大帶寬所對(duì)應(yīng)的旋轉(zhuǎn)角度和結(jié)構(gòu)尺寸的參數(shù)．同時(shí)也研究了饋電間隙g對(duì)天線阻抗的影響，適當(dāng)?shù)膅值能夠使輸入阻抗的虛部平坦且穩(wěn)定在零值附近．文中使用 50 Ω 微帶線對(duì)輻射結(jié)構(gòu)進(jìn)行饋電，圖4給出了文中天線與參考天線的輸入阻抗仿真結(jié)果．從圖中可以看出，文中天線的阻抗曲線變化相對(duì)平緩、穩(wěn)定，且輸入阻抗實(shí)部接近 50 Ω．

圖4 文中天線與參考天線的輸入阻抗仿真結(jié)果

3 天線測(cè)試結(jié)果

利用天線結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)和仿真優(yōu)化的結(jié)果，對(duì)文中天線進(jìn)行了實(shí)際制作和實(shí)驗(yàn)測(cè)試．圖5是文中天線的實(shí)物圖，文中天線印刷在厚度為 1.6 mm、介電常數(shù)為4.4、邊長為 50 mm 的正方形玻璃纖維板上，兩個(gè)旋轉(zhuǎn)貼片的尺寸為 27 mm× 9 mm，旋轉(zhuǎn)角度為60°，水平貼片的尺寸為 23 mm× 13 mm，垂直貼片的尺寸為 23 mm× 9 mm，50 Ω 微帶線的尺寸為 13.5 mm× 3 mm，地板位于天線的背面，尺寸為 50 mm× 11 mm．使用安捷倫8753E矢量網(wǎng)絡(luò)分析儀對(duì)天線實(shí)物進(jìn)行測(cè)試，圖6給出了仿真結(jié)果和實(shí)際測(cè)試的回波損耗曲線圖，兩支曲線的走向大致相同但存在偏差，這是因?yàn)閷?shí)際制作工程中，很難達(dá)到仿真所要求的理想狀態(tài)，以及介質(zhì)的厚度、介電常數(shù)等參數(shù)也存在微小偏差．從測(cè)試結(jié)果來看，天線的阻抗帶寬 (10 dB 回波損耗)可達(dá) 10 GHz (2.0 GHz～ 12.0 GHz)，倍頻帶寬高達(dá)6．

圖5 文中天線實(shí)物圖圖6 天線的回波損耗仿真值與測(cè)量值對(duì)比

圖7 天線的電壓駐波比圖8 天線峰值增益隨頻率的變化曲線

圖7給出了文中天線實(shí)測(cè)的電壓駐波比(Voltage Standing Wave Ratio，VSWR)．從圖中可以看出，文中天線在工作頻帶內(nèi)的電壓駐波比小于2，符合寬頻帶天線的設(shè)計(jì)要求．圖8為天線峰值增益在工作頻帶內(nèi)隨機(jī)選取的部分頻率的測(cè)量值．可以看出，在 2.0 GHz、6.0 GHz 和 12.0 GHz 處的天線增益分別為 1.25 dBi、4.50 dBi 和 4.20 dBi．在工作頻帶內(nèi)，天線的峰值增益隨著頻率的升高而呈上升趨勢(shì)．

方向性也是研究天線性能的一個(gè)重要因素．由于文中天線在垂直于貼片方向上與磁流的方向相同，所以輻射場(chǎng)互相疊加，達(dá)到最大值; 貼片的左右磁流彼此呈反對(duì)稱分布，水平分量的電場(chǎng)相同，垂直分量的電場(chǎng)相反，電場(chǎng)和磁場(chǎng)將沒有Z方向的分量．因此，在H面各處輻射抵消; 在E面上各處電場(chǎng)也相抵消，為準(zhǔn)TEM波．天線總輻射場(chǎng)的E面和H面方向圖分別為

其中，φ是球坐標(biāo)的方位角，θ是球坐標(biāo)的俯仰角，(θ，φ)為場(chǎng)點(diǎn)球坐標(biāo)．h為介質(zhì)的厚度，d為貼片的寬度，λ0為工作波長．

為了驗(yàn)證文中天線的輻射性能是否與理論分析結(jié)果相同，在工作帶寬內(nèi)選取 2.0 GHz、6.0 GHz 和 12.0 GHz 對(duì)天線實(shí)物進(jìn)行方向圖測(cè)試．圖9為天線的歸一化方向圖．由于文中天線輻射結(jié)構(gòu)對(duì)稱，歸一化方向圖在全頻段內(nèi)具有良好的對(duì)稱性．

圖9 天線歸一化方向圖

4 結(jié) 束 語

文中設(shè)計(jì)了一種新型的寬頻帶貼片天線，通過等效電路、仿真優(yōu)化、實(shí)際制作以及實(shí)驗(yàn)測(cè)試，得出天線的最優(yōu)結(jié)構(gòu)參數(shù)，使天線的阻抗帶寬 (10 dB 回波損耗)可達(dá) 10 GHz (2.0 GHz～ 12.0 GHz)，倍頻帶寬高達(dá)6，這一帶寬是參考天線帶寬的3倍之多．并且在天線的結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)上選擇了對(duì)稱結(jié)構(gòu)，其H面輻射方向圖在中低端工作頻帶內(nèi)保持了很好的全向性．因此，文中天線不僅能夠滿足目前無線通信應(yīng)用的要求，如無線局域網(wǎng)(Wireless Local Area Network，WLAN)、全球微波互聯(lián)接入(Worldwide interoperability for Microwave Access，WiMAX)、藍(lán)牙、ZigBee等，也可以應(yīng)用于工業(yè)科學(xué)及醫(yī)療頻帶等其他無線通信領(lǐng)域．

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MethodofUWBantennadesign

FANGGuozhi1，HOURuiqiang1，ZHANGYucheng2

(1. Harbin Univ. of Science and Technology, Harbin 150080, China；2. Harbin Power Engineering Installation Company Cable Engineering Office, Harbin 150080, China)

According to the theory of electromagnetic field, this paper presents a design method of a microstrip patch antenna for wireless communication. According to the working frequency band of the antenna, the antenna structure is designed and the equivalent circuit is analyzed. In order to verify the effectiveness of the antenna structure parameters, finite element simulation, the antenna structure parameters optimization to achieve an optimal bandwidth and radiation to the actual production and test results show that the impedance bandwidth of the antenna (10 dB return loss) is up to 10 GHz (2.0～ 12.0 GHz), and that the absolute bandwidth of the multiplier is up to 6, the bandwidth being three times the cross bandwidth of the monopole antenna. In addition, the antenna has a good omnidirectional radiation characteristics and gain level in the operating frequency, and the antenna has a simple structure, a stable performance and good practicability.

patch antenna;broadband; omnidirectional; gain

2017-01-17

時(shí)間：2017-06-29

國家自然科學(xué)基金資助項(xiàng)目(51277043)

房國志(1963-)，男，教授，E-mail: fangguozhi@hrbust.edu.cn．

http://kns.cnki.net/kcms/detail/61.1076.TN.20170629.1734.030.html

10.3969/j.issn.1001-2400.2018.01.015

TN82

A

1001-2400(2018)01-0083-05

(編輯： 李恩科)