王明麗，韓麗萍

（山西大學 物理電子工程學院，山西 太原 030006）

0 引言

隨著物聯(lián)網(wǎng)和5G 時代的到來，移動終端向著超薄化和多功能化的方向發(fā)展，因此對天線性能的要求越來越高，但是留給天線的設(shè)計空間卻極其有限。傳統(tǒng)的金屬天線還會嚴重影響人們的視覺感受，降低其美觀性［1］。光透明天線憑借其易共形、隱蔽、高光學透明性和良好導電性克服了這些影響，成為汽車玻璃、建筑窗口、智能屏幕顯示器、太陽能電池板以及可穿戴設(shè)備等領(lǐng)域的研究熱點，引起了大量研究人員的廣泛關(guān)注［2］。

光透明天線由透明度高且導電性能良好的材料制成，目前常用的有金屬氧化物薄膜［3-5］、多層薄膜［6-8］和金屬網(wǎng)格［9-11］等材料。其中文獻［3］采用銦錫氧化物（ITO）薄膜材料實現(xiàn)了一個工作在5.8 GHz 的光透明天線，透光率為90%。文獻［6］采用IZTO/Ag/IZTO 多層薄膜材料實現(xiàn)了一個工作在2.45 GHz 的光透明天線，透光率為80.78%。文獻［9］采用金屬網(wǎng)格材料實現(xiàn)了一款工作在2.46 GHz～2.94 GHz 的機械可重構(gòu)光透明天線，透光率為32%～44%。針對現(xiàn)代通信終端的高集成需求，國內(nèi)外學者提出一些小型化光透明天線［12-13］和寬頻帶光透明天線［14-16］。文獻［12］利用零階諧振特性實現(xiàn)天線的小型化，采用金屬網(wǎng)格結(jié)構(gòu)使得天線的透光率為90%。文獻［13］通過在諧振腔側(cè)壁加載金屬條帶的方法減小天線的尺寸，透明聚合物實現(xiàn)了90%的透光率。文獻［15］采用層疊結(jié)構(gòu)展寬天線的頻帶，金屬網(wǎng)格作為輻射單元達到70%的透光率。文獻［16］采用單極子天線使得帶寬達到83%，金屬氧化物薄膜AgITO 實現(xiàn)52%的透光率。文獻［17］提出一種小型化寬帶光透明天線，通過在輻射貼片下方加載環(huán)形水環(huán)結(jié)構(gòu)減小天線的尺寸，選用厚介質(zhì)基板實現(xiàn)41.8%的相對帶寬，水作為輻射單元使得透光率達到100%。隨著無線通信設(shè)備的超薄化與多功能化，結(jié)構(gòu)簡單易共形的小型化寬帶光透明天線將具有廣泛的應(yīng)用前景。

本文采用ITO 薄膜材料和玻璃基板設(shè)計了一款光透明微帶天線。選用寬帶單極子天線，通過曲流技術(shù)實現(xiàn)天線的小型化。結(jié)果表明，天線工作在1.57 GHz，相對阻抗帶寬為16.56%，透光率大于95%。天線結(jié)構(gòu)簡單，易于集成在各種透明移動設(shè)備，在未來無線通信系統(tǒng)中更有競爭力。

1 天線設(shè)計

1.1 天線結(jié)構(gòu)

天線的結(jié)構(gòu)如圖1 所示，矩形貼片、共面波導饋線和共面波導接地面均印刷在介質(zhì)基板的上表面。矩形貼片的上方和左下方分別蝕刻一個倒T 形開路縫隙和一個勺形開路縫隙，增加了貼片上電流路徑的長度，實現(xiàn)了天線的小型化。為了改善天線的交叉極化性能，在矩形貼片的右下方蝕刻一個對稱的勺形開路縫隙。利用電磁仿真軟件HFSS V13.0仿真分析。貼片和接地板均采用電導率為1.2×105S/m 的ITO 薄膜，介質(zhì)基板采用相對介電常數(shù)為5.5，厚度為2.0 mm 的玻璃。優(yōu)化的參數(shù)為：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。

圖1 天線結(jié)構(gòu)示意圖Fig. 1 Configuration of antenna structure

圖2 給出了天線結(jié)構(gòu)的演變過程。Ant. 1 是共面波導饋電的矩形單極子天線，Ant. 2 是加載倒T形縫隙的矩形單極子天線，Ant. 3 是加載倒T 形縫隙和勺形縫隙的單極子天線，Ant. 4 為本文提出的天線。四種天線結(jié)構(gòu)對應(yīng)的反射系數(shù)曲線如圖3 所示。從圖中可以看出，Ant. 1 的工作頻率為1.94 GHz；Ant. 2 中倒T 形縫隙增加了電流路徑的長度，工作頻率降低為1.81 GHz；Ant. 3 通過在貼片的左下方刻蝕一個勺形縫隙，進一步增加電流的路徑長度，天線的工作頻率降低為1.61 GHz；Ant. 4 中的對稱勺形縫隙基本不影響工作頻率，主要改善天線的交叉極化性能。圖4 為Ant. 3 與Ant. 4 的輻射方向圖。由圖可知，加載對稱勺形縫隙的Ant. 4 與Ant. 3 相 比，E 面 交 叉 極 化 由-15 dBi 降 低 為-38 dBi，H 面 交 叉 極 化 由-23 dBi 降 低 為-27 dBi。結(jié)果表明，本文天線的工作頻率為1.57 GHz，-10 dB阻抗帶寬為260 MHz（1.44 GHz ～ 1.7 GHz），相對帶寬為16.56%。

圖2 天線結(jié)構(gòu)演變過程Fig. 2 Evolution of antenna structure

圖3 圖2 中天線的反射系數(shù)Fig.3 Reflection coefficients of antennas in Fig.2

圖4 Ant. 3 和Ant. 4 的輻射方向圖Fig.4 Radiation patterns of Ant. 3 and Ant. 4

1.2 參數(shù)分析

通過分析結(jié)構(gòu)參數(shù)對天線性能的影響，發(fā)現(xiàn)勺形縫隙的長度與位置是影響天線諧振頻率的主要因素。在分析某一參數(shù)對天線性能的影響時，其他參數(shù)均保持不變。圖5 給出了勺形縫隙長度變化時的反射系數(shù)。從圖中可以看出，當勺形開路縫隙長度ls（ls=w3+2×l3+2×w4-w5）從29 mm 增 加 到37 mm 時，諧振頻率從1.67 GHz 降低到1.44 GHz。勺形開路縫隙的位置對反射系數(shù)的影響如圖6 所示。從圖中可以看出，隨著勺形縫隙與貼片下邊緣之間的距離d增加，諧振頻率逐步降低。根據(jù)設(shè)計要求工作頻率為1.5 GHz，本文選取ls=33 mm，d=4 mm。

圖5 不同縫隙長度時的反射系數(shù)Fig.5 Reflection coefficients for different slot length

圖6 不同縫隙位置時的反射系數(shù)Fig.6 Reflection coefficients for different slot position

2 結(jié)果與討論

2.1 透光率

ITO 薄膜的表面電阻Rs 計算公式為［18］：

其中，σ是ITO 薄膜的電導率，h是ITO 薄膜的厚度。天線的貼片和接地板均采用電導率為1.2×105S/m的ITO 薄膜，通常薄膜厚度為100 nm～1 000 nm，根據(jù)公式（1）可得薄膜的表面電阻取值在8.3 Ω/sq～83 Ω/sq 之間。圖7 給出了ITO 薄膜的透光率隨表面電阻的變化曲線，由圖可以看出，透光率隨著表面電阻的增加而增加，當表面電阻大于8.3 Ω/sq 時，薄膜的透光率大于95%。因此，天線在工作頻段1.44 GHz～1.7 GHz 范圍內(nèi)透光率大于95%。

圖7 薄膜透光率與表面電阻的關(guān)系Fig. 7 Relationship between transmittance and surface resistance of film

2.2 反射系數(shù)

天線仿真的反射系數(shù)曲線如圖8 所示。從圖中可以看出，天線的工作頻率為1.57 GHz，-10 dB 阻抗帶寬為1.44 GHz ～ 1.7 GHz，相對帶寬為16.56%，匹配良好。

圖8 天線仿真反射系數(shù)Fig. 8 Simulated reflection coefficients of antenna

2.3 輻射方向圖

天線在中心頻率1.57 GHz 處仿真的輻射方向圖如圖9 所示。從圖中可以看出，主極化方向圖呈現(xiàn)出一個典型的單極子特性，在H 面是全向型，E 面呈“8”字型，交叉極化水平比主極化水平在E 面和H面分別相差-39 dB 和-28 dB，在最大方向上的峰值增益為1.09 dBi，滿足無線通信系統(tǒng)的基本要求。

圖9 天線仿真輻射方向圖Fig. 9 Simulated radiation patterns of antenna

最后，表1 給出本文與文獻光透明天線的性能比較。由表可知，本文提出的天線與小型化光透明天線［12-13］相比，透光率提高了5%，相對帶寬分別由1.76%和14%提高到16.56%。與寬帶光透明天線［14-16］相比，本文天線的尺寸最小，透光率分別提高了25%，25%和43%。與小型化寬帶光透明天線［17］相比，本文天線的尺寸明顯減小，結(jié)構(gòu)簡單易于集成。

表1 光透明天線的性能Table 1 Performance of optically transparent antenna

3 結(jié)論

本文設(shè)計了一種應(yīng)用于L 波段的小型化寬帶光透明微帶天線。通過在輻射單元蝕刻開路縫隙的方法實現(xiàn)小型化。采用共面波導饋電的單極子結(jié)構(gòu)不僅實現(xiàn)了寬帶特性，更使得天線結(jié)構(gòu)簡單，易于制作。電導率為1.2×105S/m 的銦錫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%。天線在整個工作頻段內(nèi)具有穩(wěn)定的輻射方向圖，可以滿足應(yīng)用在L 波段的無線通信系統(tǒng)使用。