一种小型化宽频带天线单元的设计与研究*

2014-02-09葛悦禾

通信技术 2014年5期

关键词：微带线隔离度馈电

林滨,汤炜,葛悦禾

(华侨大学信息科学与工程学院,福建厦门361021)

一种小型化宽频带天线单元的设计与研究*

林滨,汤炜,葛悦禾

(华侨大学信息科学与工程学院,福建厦门361021)

采用十字缝隙耦合、多层积叠贴片和双层馈电等技术,并选择双偏置微带线作为馈电,设计了一种小型化双极化宽频带微带缝隙天线。这些技术的采用拓宽了天线带宽,实现了良好的阻抗匹配。双层馈电技术减小了天线尺寸,并使天线的两个端口具有良好的隔离度。通过样品测量,驻波比小于1.5的端口相对带宽分别达40%和38.5%,工作频带内两端口隔离度(S21)大于25 dB,增益最大值达9.1 dB。该天线具有良好的性能并且工作于1 710～2 170 MHz频段,可制作成天线阵应用于移动通信中。

微带缝隙天线十字缝隙耦合多层积叠贴片

0 引言

微带天线因具有剖面低、体积小、重量轻,能与有源电路集成,易于批量生产,加工简便,造价低,便于获得圆极化、双极化和双频段等多功能工作等优点而深受人们的青睐,但长久以来频带窄的缺点限制其在通信领域的发展,为此全世界的学者作了很广泛的研究。研究表明采用多层贴片结构或者共面配置寄生贴片能够形成多个谐振回路,具有多个谐振频率,当这些频率适当接近时,便形成频带大大展宽的谐振电路[1-2]。1985年,Pozar提出口径耦合馈电[3]不仅能够增加天线带宽,同时能够减小馈电网络对辐射单元的影响。Targonski和Pozar共同研究出了一种口径层叠贴片微带天线[4],它采用了层叠结构和口径耦合馈电技术得到稳定的阻抗特性,增加了天线带宽,VSWR＜2的频段达到69%。但由于口径存在背向辐射,故这种天线的前后比会比较差。在原有模型基础上,相继提出了多种改善天线背向辐射的天线[5-8]。

双极化天线能发射或接收两个正交极化的电磁波,因此在同一带宽内,天线可以发射两种信号,这有利于频率复用或者收发同时工作。在地面通信中实施极化分集,抗多径衰落;在卫星通信中实现收发极化隔离;实现地面/卫星通信双模工作,用于卫星通信与全球定位系统共用天线等。与单极化天线相比较,双极化天线不仅要考虑天线阻抗带宽,还必须具有良好的端口隔离度,尽可能减小两个端口之间信号串扰。文献[9]提出一种工作于X波段的双极化天线,其VSWR＜2的相对带宽达42%,隔离度大于20 dB。在移动通信中,多采用的是极化分集天线(±45°正交极化)。

文中设计了一种适用于基站的双极化小型微带天线单元,其结构简单,易于加工。它利用双层贴片和十字形缝隙耦合馈电方式实现天线的宽频带工作和天线的小型化,并且使用双偏置微带线使两馈电端口达到高隔离度特性。天线底部的反射板起到减小背向辐射和提高增益的作用。利用电磁仿真软件HFSS13.0进行仿真优化并制作出实物进行实测。实测结果与仿真结果比较接近。

1 天线的结构设计

文中设计的天线可分为馈源端、引向端和反射端三个部分。其具体尺寸结构示意图如图1所示(单位为mm)。天线的馈源由两层介质基片、接地板和馈电网络组成。上层基片上端覆盖着刻有十字形缝隙的接地板,上下层基片之间是端口1的馈电网络,下层基片下端则是端口2的馈电网络。缝隙的长度和宽度在保证天线带宽和满足阻抗匹配的情况下越小越好,这样可以减小由缝隙引起的背向辐射。为了使天线实现±45°正交极化,两层馈线方向与接地板的对角线分别平行,而十字形缝隙处于接地板中心,四臂与接地板对角线方向一致。引向端是两层圆形辐射贴片,为了增加带宽,贴片与贴片之间,贴片与接地板之间均不采用任何介质。反射端为与接地板尺寸相同的铝型材反射板,位于馈源下侧距馈源h1处。

图1 微带天线几何结构Fig.1 Geometric structure of the microstrip antenna(Unit:mm)

为提高天线的阻抗带宽,天线采用双层寄生贴片结构和双偏置微带线馈电,同时这种馈电结构又能实现两个馈电端口的高隔离度并提高阻抗匹配。馈电网络通过接地板上的十字形缝隙与寄生贴片耦合,向外辐射能量。微带贴片天线下层的反射板可以提高天线的增益,减小天线的背向辐射。为提高缝隙耦合度,馈电层应采用介电常数较高的基片,结合成本因素,文中设计天线选择的是Taconic RF-35 (tm)基片,其介电常数为3.5。

两层基片厚度分别为t1、t2,接地板与下层贴片的距离为t3,上下层贴片的距离为t4。馈电网络由两条100 Ω的微带线通过简单的功分器与50 Ω的微带线连接构成。

2 理论分析

天线的性能与自由空间的工作波长有着密切的关系,因此从理论上讲,天线的工作频率越低,波长越长,天线尺寸也必须相应地增加。从这种意义上理解,要求低频天线的小型化是难以实现的。虽然微带天线体积小重量轻,但在较低频段(VHF/ UHF),传统的半波长微带天线尺寸仍然太大。

文中设计的天线为双极化天线(±45°正交极化),其工作频段位于1 710～2 170 MHz。采用微带线作为馈线,两端口的馈电网络处于不同的馈电层,并通过同一十字形缝隙与贴片层耦合,向外辐射能量。这种设计可减小天线的尺寸,同时多层贴片结构及反射板的应用也避免天线出现高剖面弊端,可在不影响天线大体性能的前提下实现天线的小型化。

文中设计的天线的馈线采用叉子(Fork)形的双偏置微带线,如图1(b)所示,微带线两臂与接地板上的缝隙耦合,可以看作两个对称的不平衡天线振子。由于不平衡振子两条振子臂的电流分布不平衡,形成不对称电流分布,电流I可以分解为偶模(Io)和奇模(Ie)分量,如图2所示,电流的不同分量形成不同谐振,通过调整天线的尺寸,使两个谐振频率适当接近,进而展宽天线的频带。天线的辐射机理类似于八木天线,馈源端相当于引向天线的有源振子,引向端类似于引向天线的引向振子,反射板则可以看作反射振子。天线通过反射板和引向作用的辐射片向外辐射能量。调整辐射贴片单元能够调节天线的电压驻波比,使天线达到一定的带宽。这里采用双层馈电在一定程度上提高了天线带宽,并且由于贴片的引向作用,天线的增益也会有所增加。

图2 不对称振子辐射原理Fig.2 Radiation principle of asymmetry dipole

由于缝隙上不同位置其阻抗不同,可选择缝隙上100 Ω位置处输入激励,可使100 Ω馈线并联后与50 Ω主馈线匹配,此馈电方式有利于宽带工作,还可使辐射场对称性更好。此外由于天线采用双层馈电结构,若馈线采用矩形微带线,两条不同馈电层的馈线在水平面的投影呈交叉状,馈电网络之间必然相互影响,其隔离度不高[10]。采用叉子状的双偏置微带线馈电能够提高两个端口的隔离度,减小交叉极化,提高天线的性能。

图3 八木天线Fig.3 Yagi antenna

3 仿真与实测结果

文中利用HFSS对所设计的天线进行仿真与优化,所得优化后的天线尺寸如下:

天线面积为:80 mm×80 mm,t1=0.762 mm,t2= 1.524 mm,t3=8 mm,t4=12 mm,h1=13 mm,R1= 30.5 mm,R2=34 mm;

端口1:L=12 mm,Lf=38 mm,W=1.72 mm,Wf=0.45,2d=25 mm;

端口2:L=14 mm,Lf=40.5 mm,W=5.52 mm,Wf=1.25,2d=16 mm;

十字形缝隙:Ws=1.8 mm,Ls=23.5 mm。

天线电压驻波比的仿真结果与实测结果如图4所示,实测的天线驻波比在高频段与仿真结果基本一致,在低频段实测结果要优于仿真结果。仿真结果表明,天线端口1的VSWR＜1.5阻抗带宽为1.64～2.27 GHz,相对带宽为32.2%,天线端口2的VSWR＜1.5阻抗带宽为1.62～2.28 GHz,相对带宽为33.8%。天线实测结果显示,天线端口1的VSWR＜1.5阻抗带宽为1.5～2.26 GHz,相对带宽为40%,端口2的VSWR＜1.5阻抗带宽为1.55～2.29 GHz,相对带宽为38.5%。天线两个端口的驻波比存在一定的差别主要是由于双层馈电造成的。双层馈电导致馈电点不同,馈电网络与缝隙之间的耦合度也不同,致使不同端口的两个谐振频率和频带出现细微的差别。

图4 天线电压驻波比Fig.4 VSWR of the antenna

天线隔离度的仿真值和实测值如图5所示,由于天线良好的对称性以及双偏置馈电结构的应用,保证了天线隔离度。实测结果相比于仿真结果要稍差一些。但天线频带内天线的隔离度大于25 dB,仍明显优于文献[9]中20 dB的数据。

图5 天线隔离度Fig.5 Isolation of the antenna

图6、图7分别为1.95 GHz工作频率时端口1的E面和H面极化方向图,E面交叉极化电平为-25 dB,H面交叉极化电平为-24 dB。图8、图9分别为1.95 GHz工作频率时端口2的E面和H面极化方向图,E面交叉极化电平为-25 dB,H面交叉极化电平为-25 dB。可见,天线交叉极化电平均低于-24 dB。天线的增益值大于9 dB,交叉极化比大于33 dB。

图6 端口1的E面极化方向图(1.95 GHz)Fig.6 E plane radiation pattern of port1(1.95 GHz)

图7 端口1的H面极化方向图(1.95 GHz)Fig.7 H plane radiation pattern of port1(1.95 GHz)

图8 端口2的E面极化方向图(1.95 GHz)Fig.8 E plane radiation pattern of port2(1.95 GHz)

图9 端口2的H面极化方向图(1.95 GHz)Fig.9 H plane radiation pattern of port2(1.95 GHz)

本设计实物照如图10所示,从仿真与实测结果可以看出,天线具有良好的电压驻波比和隔离度。天线工作频率为1.95 GHz时增益为9 dB,前后比大于23 dB,轴向交叉极化比大于35 dB,±60°交叉极化比大于30 dB。其性能满足一般基站天线的要求。

图10 天线实物Fig.10 Picture of the produced antenna

4 结语

文中设计了一种应用于基站的天线单元,通过采用层叠贴片结构和缝隙耦合馈电达到展宽带宽的目的,天线两端口的阻抗带宽分别达到40%和38.5%,同时实现两个端口的高隔离度。天线两个端口交叉极化电平比较低,原因要归结于良好的馈线匹配。通过仿真可以看出天线的增益为9 dB,并且天线的前后比达到23 dB,反射板的增加有效的减小了天线的背向辐射,提高了天线增益。该单元天线具有相对较小的面积和高度,非常适合制作移动通信中常用的天线阵。

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LIN Bin(1988-),male,graduate student, laboratory technician,majoring in microstrip antenna and wideband antenna.

汤炜(1974-),男,博士,副教授,主要研究方向为电磁场与微波技术、天线理论研究;

TANG Wei(1974-),male,Ph.D.,associate professor, majoring in electromagnetic field and microwave technology, studying of antenna theory.

葛悦禾(1965-),男,博士,教授,主要研究方向为天线和电磁场数值计算的研究。

GE Yue-he(1965-),male,Ph.D.,professor,mainly working at the antenna and numerical calculation of electromagnetic fields.

Research and Design of a Novel Miniaturized Broadband Microstrip Antenna Unit

LIN Bin,TANG Wei,GE Yue-he
(College of Information Science and Engineering,Huaqiao University,Xiamen Fujian 361021,China)

A miniaturized dual polarization and wideband microstrip antenna with technologies of cross slot coupling,stacked patches and two layers feeds is designed in this paper.The feed line,dual offset microstrip line,and other technologies above can not only extend the bandwidth of the antenna,but also improve the stability of the input impedance.The dual layers feeds could decrease the size of the antenna and achieve a good isolation.The simulation and measurement results demonstrate that the two ports bandwidths that the VSWR is below 1.5 are 40%and 38.5%,respectively.Meanwhile the isolation between two ports in their bandwidths is more than 25 dB and the gain of the antenna will obtain the maximum value about 9.1 dB.The operating frequency of the antenna is from 1 710 MHz to 2 170 MHz and due to the perfect performance,small size and low profile height of the antenna,it could be made out to antenna array for mobile communication.

microstrip slot antenna;cross slot coupling;stacked patches

TN822+.8;TN828.6

1002-0802(2014)05-0575-05

10.3969/j.issn.1002-0802.2014.05.024