严冬;杜培勋;王平;陈俊宇;董腾
【摘 要】针对当前已有圆极化微带天线有效带宽窄、尺寸大等缺陷的现状,设计了一种应用于2.4 GHz无线传感网络的宽带圆极化微带天线.采用Ansoft HFSS建立了天线的模型,并对其主要结构参数进行了仿真分析,最终推导出了天线的最优结构参数.最优结构参数下的仿真结果显示,天线的-10 dB阻抗带宽达到了63.5％,3 dB轴比(axial ratio,AR)带宽达到了17.5％.同时,采用矢量网络分析仪对天线实物进行了回波损耗测试,测试结果与仿真结果吻合.最后,将设计的天线加载到CY2420通信节点上进行通信性能的测试,测试结果表明:加载了该宽带圆极化微带天线的节点在150m处的平均丢包率为0.36％,且天线任意方向下的丢包率基本相同.从测试结果可以看出该天线具有良好的圆极化特性和实用特性. 【期刊名称】《电波科学学报》
【年(卷),期】2019(034)003
【总页数】10页(P380-389)
【关键词】宽带;圆极化微带天线;阻抗带宽;轴比(AR)带宽;丢包率
【作 者】严冬;杜培勋;王平;陈俊宇;董腾
【作者单位】重庆邮电大学工业物联网与网络化控制教育部重点实验室,重庆400065;重庆邮电大学工业物联网与网络化控制教育部重点实验室,重庆400065;重庆邮电大学工业物联网与网络化控制教育部重点实验室,重庆400065;重庆邮电大学工业物联网与网络化控制教育部重点实验室,重庆400065;重庆邮电大学工业物联网与网络化控制教育部重点实验室,重庆400065
【正文语种】中 文
【中图分类】TN820
引 言
现如今通信技术的迅猛发展使得市场上的通信设备不断朝着高速、高容量的趋势发展,这也对设备中的天线提出更严格的要求,要求天线实现宽带化. 然而普遍的圆极化微带天线的缺
点就是带宽窄. 关于实现圆极化微带天线的宽带化方式,主要包括采用多层结构、提高耦合度、共面波导馈电和临近耦合馈电等. 但是采用多层结构制作工艺复杂[1];提高耦合度方式虽然带宽得到了提升但是插入损耗也随之增加,降低了天线的辐射效率[2];共面波导馈电[3]导致天线面积太大. 目前国内外关于临近耦合馈电的圆极化微带天线的宽带化研究中,有很多种结构和方法,如环形槽[4-5]临近耦合馈电、圆形槽[6-7]临近耦合馈电、正交H型缝隙[8-9]临近耦合馈电、利用馈电探针顶部的小圆盘[10]实现临近耦合馈电、采用两个L探针[11]临近耦合馈电. 关于2.4 GHz的宽带圆极化微带天线的研究中,文献[12]设计的是一款新型的方环贴片天线,在方环贴片的四个角上加四个方环贴片,用于孔径耦合馈电,以在WLAN频带中产生圆极化辐射. 该天线的阻抗带宽为7.44%,轴比(axial ratio,AR)带宽为1.63%,天线面积为60×60 mm2. 天线虽然结构简单、尺寸较小,但是带宽较窄. 文献[13]设计的天线由一个折缝印刷馈电网络的方形贴片、一个接地板和一段半刚性同轴电缆组成,采用激励插槽模式和补丁模式实现宽带特性. 天线阻抗带宽为39%,AR带宽为21.8%,面积为80×80 mm2. 该天线结构相对简单,带宽较宽,但是尺寸偏大. 文献[14]设计的是一款利用单馈结构扩展带宽的圆极化微带天线. 该天线由水平金属条和方形截断贴片组成,用于展宽带宽. 水平金属条的一端通过探针连接到贴
片,另一端连接SMA连接器,天线阻抗带宽为12.08%,AR带宽为6.6%,面积为34.9×34.9 mm2. 天线尺寸小巧,结构简单,但是带宽较窄.
为了进一步提升圆极化微带天线的阻抗带宽和AR带宽,同时将天线小型化,本文设计了一款工作于2.4 GHz的临近耦合馈电的宽带圆极化微带天线. 本文主要采用的是临近耦合馈电的方式进行圆极化微带天线的宽带化设计,由于馈电结构和辐射结构不在一个平面,所以不存在表面波效应. 除此之外,这种馈电方式对于天线带宽的拓宽有很好的效果. 该天线采用不平衡馈电,结构更加简单. Ansoft HFSS仿真结果表明:该天线工作于2.4 GHz频段,阻抗带宽为63.5%,3 dB AR带宽达到了17.5%,同时天线的面积仅为41×41 mm2. 实现了提升带宽的同时将尺寸小型化的目标. 制作的天线实物加载到无线通信模块上进行测试,测试结果显示圆极化微带天线具有很好的工程应用能力,具有很高的实际应用价值.
1 天线结构研究
由于采用的是临近耦合馈电方式,所以天线总体由两部分构成:顶部辐射贴片部分和底部微带馈线部分. 天线设计思想如图1所示. 图1(a)为宽缝隙临近耦合馈电的圆极化微带天线最常用的方式之一,左边是顶部辐射片结构,右边是底部微带线馈线结构. 辐射贴片中缝隙对角处是
两个90°的“L型”微扰条,用来激发两个振幅相同、相位差为90°的正交模以辐射圆极化波,底部微带馈线初始为一个基本的十字型馈电结构. 为了满足阻抗匹配的要求,需要设计天线的50 Ω微带阻抗线,如图1(b)微带馈线所示. 图1(b)结构满足圆极化微带天线的要求,但其馈电结构辐射能力不强,通过增加原十字型馈线竖向枝节的面积和改变横向枝节的相对距离来改善馈电能力,如图1(c)微带馈线所示. 图1(c)的天线结构由于微扰条辐射能力不足出现了AR频率与谐振频率偏移严重的情况,通过在顶部辐射贴片中间添加一个矩形微带条来改善天线的AR频率及带宽使得其与谐振频率处于同一频段,如图1(d)所示,因为馈线将能量耦合到此矩形微带条,增强了两个90°的“L型”微扰条的能量辐射能力.
图1 天线设计思想Fig.1 Idea antenna design
1.1 天线结构参数分析
根据上述分析,本文提出的工作于2.4 GHz的宽带圆极化微带天线的结构如图2所示,图2(a)为天线的顶部辐射贴片图,图2(b)为天线的底部微带馈线图,图2(c)为天线侧视图.
(a) 顶部辐射贴片(a) Top radiating patch
(b) 底部微带馈线(b) Bottom microstrip feeder
(c) 侧视图(c) Side view图2 天线结构图Fig.2 Antenna structure
1.2 天线模型建立
设计的宽带圆极化微带天线制作于介电常数为4.4、损耗角正切值为0.02的玻璃纤维环氧树脂(FR4)介质基板上.
根据工作频率为f的微带天线辐射贴片宽度w物理公式(1),辐射单元长度L物理公式(2)及实际的仿真结果,设置天线的初始长度G为41 mm,缝隙长度L为35 mm.
(1)
(2)
式中:c是光速; εr是基板介电常数;εe是有效介电常数,用式(3)计算;ΔL是等效辐射缝隙长度,用式(4)计算.
(3)
(4)
为了实现微带天线的阻抗匹配,通常在天线馈线的下端设计50 Ω的阻抗匹配线,阻抗大小主要由微带阻抗线的宽度Wf决定. 阻抗线宽度Wf可以根据式(5)进行估算:
(5)
式中: h为基板厚度,取值0.8 mm; W为待求参数Wf;T是辐射贴片厚度,这里忽略不计;板介电常数εr=4.4; Z表示微带线阻抗,这里通常取50 Ω. 那么,可以计算得阻抗线宽度Wf约为1.495 mm. 因此图2中天线的主要结构参数设定初始值如表1所示,其中s1为“L型”微扰枝节宽度.
表1 天线主要结构参数初始尺寸Tab.1 The initial size of the main structure parameters of the antenna结构参数GLWfL1s1 尺寸/mm41351.5101
采用Ansoft HFSS对设计的天线根据图2进行建模,接着对天线的主要结构参数进行研究,以便根据分析结果进一步改进天线的设计.
1.3 主要结构参数对天线性能的影响研究
天线的谐振频率和阻抗带宽主要由天线尺寸大小G和缝隙大小L决定. 天线AR主要由宽缝隙对角线的两个90°的“L型”结构参数L1、L3、s1等决定. 接下来对以上提到的结构参数进行研究分析.
1) 天线长度G对天线谐振频率的影响
使其他参数值保持固定不变,通过HFSS仿真软件分析当G=39 mm、40 mm、41 mm、42 mm时天线的回波损耗S11,仿真结果如图3所示.
图3 G对天线谐振频率的影响Fig.3 Effect of antenna length G on antenna resonance frequence
由图3可知,当G由39 mm变化到42 mm时,该圆极化微带天线的阻抗S11≤-10 dB带宽逐渐增大. 随G的改变变化较明显的就是谐振频率点,当G=39 mm和40 mm时,天线的谐振点不明显,基本处于水平状态,表明在频率2.25 GHz至3 GHz范围内谐振效果是基本相同的;当G再增加到41 mm和42 mm时,谐振效果明显增强,谐振点明显凸显,在G=41 mm处谐振点约为2.35 GHz,随着G的增加,第一个谐振点基本保持不变,第二个谐振点逐渐向高频移动.
2) 宽缝隙长度L对天线性能的影响
除L外的其他参数值不变,使用HFSS分析当宽缝隙长度L=33 mm、34 mm、35 mm、36 mm时天线的回波损耗S11,仿真结果如图4所示.
图4 L对天线性能的影响Fig.4 Effect of crack length L on antenna performance
由图4可知,宽缝隙的长度L与天线的谐振频率和阻抗带宽存在着线性关系,当L由33 mm增加到36 mm时,天线的第一个谐振频率向低频处移动,在L=35 mm和36 mm时出现第二个谐振频率,且第二个谐振点随着L的增加逐渐向高频移动. L由33 mm增加到36 mm时天线的阻抗S11≤-10 dB带宽逐渐增大. 因此,可以得出天线的第一个谐振点随着参数L的增加而降低,第二个谐振点随着L的增加逐渐向高频移动,同时天线的阻抗带宽随着L的增加而增加.
3) “L型”微扰条参数L1、L3对天线AR性能的影响
天线中间正方形宽缝隙对角线两个“L型”微扰条是圆极化天线的简并分离单元,用来产生90°相位差,形成圆极化辐射. 所以这两个“L型”微扰条是用来产生圆极化波的关键,分析对角线上“L型”微扰条的参数对天线AR的影响十分关键.
同样,不改变除L1、L3外的其他参数值,分析当L1=L3=8 mm、9 mm、10 mm、11 mm、12 mm时天线的AR,仿真结果如图5所示.
图5 参数L1、L3对天线AR性能的影响Fig.5 Effect of parameters L1, L3 on antenna AR performance
由图5可知,“L型”微扰条参数L1、L3影响着天线AR,当L1、L3由8 mm增加到10 mm时,天线的AR对应的谐振点依次降低,且在L1=L3=8 mm时,天线的AR值≤3 dB带宽较小,AR性能较差;当L1、L3继续增加,由10 mm增加到12 mm时,天线的AR对应的谐振点依次增加,AR性能逐渐变差. 不难看出,参数L1、L3在9 mm到10 mm之间时,该圆极化微带天线的AR性能最佳.
