AMPS频段低剖面宽带微带天线的设计

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        1  引言   

        现代无线通信系统中，通常要求天线具有9%左右的工作带宽， 如AMPS频段(824-894MHz)的带宽为8.1%, GSM频段(890-960MHz)为7.6%, 以及DCS频段(1710-1880MHz) 为9.5%。 同时，在个人移动通信以及其他小型的移动通信系统中，通常要求天线小型化，即天线具有较小的横向尺寸以及较低的剖面高度。然而，对于工作在较低的微波频率下的微带天线，如AMPS，GSM，以及DCS频段，其物理尺寸通常会较大，以至于不能完全应用在小型通信系统中。因此，设计出小型化（这里特别强调天线的低剖面特性）的宽带微带天线是目前微带天线研究中的热点之一。
         
        近年来，小型宽带微带天线的相关设计方法层出不穷。各种开槽加载设计方法可以有效地减小天线的尺寸和提高天线的带宽。然而，几乎所有的开槽加载技术，如U形槽，V形槽和E形槽，通常要求介质层与地板之间具有至少0.06λ0的空气层厚度。使用L形探针馈电是另一种有效的改善天线带宽的方法，然而，正如指出的那样，该方法需要至少0.08λ0的介质层厚度。另外，宽带微带天线的小型化也经常使用短路探针和短路壁的方法，但由于这种短路技术会造成天线增益的大幅下降，这使得在要求远距离通讯的系统中并不适用。鉴于同样的原因，虽然贴片电阻加载技术可以得到较小的天线尺寸和较大的阻抗带宽，贴片电阻带来的欧姆损耗在一定程度上也限制了该技术在远距离通信系统中的应用。
         
        随着现代无线通信系统的快速发展，低剖面，宽带宽以及高增益的微带天线的研究具有重要的意义。显然，中的设计方法并不能很好地同时满足这些要求。据作者所知，在不使用会造成增益下降的技术如短路加载，贴片电阻加载的前提下，有关提高低剖面微带天线带宽的方法研究在国内外报道中并不多见。本文的研究目的就在于寻求一种既不降低天线增益，却能同时提高天线带宽和降低天线剖面高度的有效设计方法。
         
        本文提出了一种新型宽带低剖面微带天线的设计方法。该天线采用同轴馈电，辐射贴片为传统的E形贴片。介质层的下表面印刷有分布式LC电路，该电路通过探针与E形辐射贴片有电连接。在该天线中，低剖面特性所引起的小探针电感由LC电路中的分布式电感得到补偿，因此有效地降低了空气层厚度。同时，通过合理地设计LC电路，可以使LC电路的谐振频率与E形贴片的固有谐振频率相靠近，从而有效地展宽天线的带宽。
         
        2  低剖面宽带E形贴片微带天线设计

        传统的E形贴片天线的结构如图1所示，该E形贴片印刷在εr = 4.3, 厚度h = 0.16cm, 介质损耗为 tan δ = 0.02的FR4介质板上。该天线采用探针馈电，介质层与地板之间的空气层厚度为 = 2cm。贴片四周的金属壁与地板相连，用于提高天线的前后比。图2所示的天线输入阻抗在Smith圆图上的位置表明：a)当空气层厚度为2cm时，天线在整个频段内具有良好的阻抗匹配；b)当空气层厚度降至 =1.2cm时，由于探针长度的缩短，使得探针电感降低，同时E形贴片与地板之间的电容增强，因此输入阻抗偏容性，阻抗失配。从以上两点分析容易看出：a)如果在保持空气层厚度较小的条件下( =1.2cm)，能够在天线结构中引入新的电感分量用于补偿空气层厚度降低造成的探针电感降低，那么天线的低剖面特性就容易实现；b)如果新引入的电感分量可以与一个适当的容性分量形成简单的LC回路，使得该谐振电路的谐振频率与原E形贴片的谐振频率相靠近，那么天线的带宽就可以进一步展宽。

       

        图1  传统E形贴片微带天线结构图

       

        图2  不同空气层厚度下传统E形贴片微带天线的输入阻抗

        基于上述两点分析，在介质板的背面引入一个分布式LC电路，该LC电路包含一个圆形贴片和一个简单的螺旋电感。螺旋电感用于补偿空气层厚度降低引起的较小的探针电感，而圆形贴片可以与辐射贴片和地板形成新的电容分量，并与新的电感分量一起形成新的谐振点。该LC回路通过探针与辐射贴片通过过孔进行电连接，详细设计参数以及侧视结构图如图3所示。

       

        （a）LC 谐振电路结构图

       

        (b) 新型低剖面宽带天线的侧视结构图

        图3

         

       

        图4  新型低剖面宽带天线实物图

       

        图5  传统E形和新型E形宽带天线的驻波特性

         

        3  数值仿真与测试结果

        在电磁仿真软件HFSS的优化结果的基础上，制作了天线样品。图4为天线样品的实物照片。图5所示的驻波曲线分别是普通E形贴片微带天线( =1.2cm)，新型低剖面宽带E形贴片微带天线( =1.2cm)的仿真结果以及新型低剖面宽带E形贴片微带天线的实测结果。从图中可以看出，通过引入分布式LC电路，产生了一个与原普通E形贴片微带天线谐振频率靠近的另一个新的谐振频率，从而大大地展宽了天线的带宽。新型低剖面宽带E形贴片微带天线的实测结果和仿真结果基本吻合，在820MHz 到 900MHz 的频段内驻波系数均小于2，表明该天线具有9%的阻抗带宽。图6所示的是该新型低剖面宽带E形贴片微带天线的输入阻抗在Smith圆图上的位置。与图2中的曲线相比可以看出，通过引入该分布式LC电路，输入阻抗曲线在Smith圆图上明显往上偏移，输入阻抗的感性分量得到了有效补偿，并且产生了新的谐振点。
         
        图7所示的是天线在860MHz处E面和H面内的仿真和实测方向图。通过比较容易看出，实际测得的E面和H面内的主极化方向图和仿真结果吻合得较好。同时可以看出，尽管地板尺寸与贴片尺寸相当，但由于四周外壁的引入，使得该天线仍然具有较好的前后比（约12dB）。仿真得到的增益和通过对比法测得的实测增益均达7dBi，表明本文所提出的设计方法不会带来增益的下降。

       

        图6  新型低剖面宽带天线的输入阻抗

       

        (a)新型低剖面宽带天线E面仿真和实测方向图

       

        (b) 新型低剖面宽带天线H面仿真和实测方向图

        图7

         

        4  结论

        基于传统E形贴片微带天线，提出了一种新的低剖面宽带微带天线的设计方法。仿真结果和实测结果均显示，该天线中引入的LC谐振电路，不仅可以有效地拓宽天线工作频带，而且可以大大地降低天线的剖面高度，适于在小型宽带通信系统中应用。空气层厚度仅为0.0344λ0，天线总的高度仅为0.043λ0，远小于国内外文献中报道的同类天线的纵向高度。