加载对称谐振臂的双频段5G微带天线.pdf

传感器与微系统（）年第卷第期：（）加载对称谐振臂的双频段微带天线刘长勇，庄华伟，庄俊杰，李飞（山东建筑大学信息与电气工程学院，山东济南）摘要：为满足工信部最新分配的频段要求，设计了一种加载对称谐振臂的新型微带天线。天线辐射单元主要由个内外嵌套的圆环形贴片和附着在外侧圆环两侧的对称谐振臂贴片组成。内侧和外侧圆环尺寸分别决定天线高频与低频的谐振点位置，对称谐振臂则用于优化双频段的辐射性能。利用电磁仿真软件对天线结构进行设计与优化，并借助矢量网络分析仪对天线实物进行测试。结果表明：所设计天线具有 和 的带宽，对应的最大增益分别达到了 和 ，在工作频段内满足小于，电压驻波比（）小于。所设计的天线结构简单、小巧便携、易于集成，有较好的全向辐射特性和较大的增益。关键词：对称谐振臂；双频段；微带天线中图分类号：文献标识码：文章编号：（），（，）：，（），：；引言伴随着技术的普及，天线的小型化、多频带、易集成、低驻波比和优良的全向辐射特性成为了天线设计所关注的首要因素。目前常见的天线种类有微带天线、倒天线、偶极子及单极子天线等。其中，微带天线具有体积小、结构简单、抗干扰性强、便于集成等特点深受广大研究者和市场的青睐。目前，微带天线仍存在频带较窄、辐射效率较低、增益较小等问题。通过在辐射贴片上刻蚀不同形状的收稿日期：基金项目：国防科技重点实验室基金资助项目（）凹槽可实现天线的多频特性。例如，可以通过加载形槽实现天线的多点谐振，也可通过加载形槽在不改变天线整体结构的基础上来调节天线的各项参数，达到产生多频特性的目的。利用耦合倒加载法、增加矩形谐振单元、共面波导（，）馈电结构、变形的顶加载单极子等方法同样可以实现天线的多频特性。上述方法在改变天线频带方面效果显著，但针对多频段带宽进一步扩展和提高天线性能上效果不佳。为了解决上述问题，通过重新设计辐射单元结构，提出第期刘长勇，等：加载对称谐振臂的双频段微带天线一种加载对称谐振臂的双频段微带天线。该天线的辐射贴片由个内外嵌套的圆环形贴片等组成，外侧圆环影响 处的天线辐射性能，而内侧圆环可以使天线在 附近产生谐振，实现双频段特性。进一步通过在外侧圆环上设置对称谐振臂来改变天线辐射表面的电流路径达到优化天线的阻抗匹配的目的，从而拓宽微带天线的频带并最终提高天线的增益及辐射效率。双频段天线设计天线结构及尺寸所设计加载对称谐振臂的双频段微带天线由介质基板层、接地板层和辐射贴片层构成，如图所示。其中，位于介质基板层上表面的辐射贴片层包括内外嵌套的圆环形贴片、内外圆环连接贴片、馈电结构和整合在外侧圆环上的对称谐振臂，谐振臂相对于馈电结构对称设置。位于介质基板层下表面的接地板层为标准的矩形贴片，靠近馈电结构一侧。馈电方式为微带线馈电，辐射单元、接地板、馈电结构均采用铜材料。选择厚度为 ，材质为（相对介电常数 ，损耗角正切 ）的介质层作为基板。天线结构尺寸如表（数据为优化后结果）所示。L1L2W4R1R2R3R4L4W2L5L3W3W1W5接地板辐射单元介质层H图天线结构示意表天线尺寸参数参数尺寸参数尺寸参数尺寸 天线设计过程图（）（）给出了微带天线的设计过程，其回波损耗值分别对应图中的天线。图（）中天线是一个由圆环形贴片作为辐射单元的单极子天线，从图中天线所对应的曲线中仅有一个中心频率位于 的谐振频段，只能满足低频段的要求。为了实现天线双频段的设计目的，在天线的基础上增加一个位于圆环内侧的小圆环，并与外侧大圆环通过矩形贴片相连接，如图（）所示。由图可观察到，天线在天线的基础上新生成了一个 的谐振频段，且对原有 频段影响较小。天线基本满足双频段要求，但其在 附近的阻抗匹配未达到最佳状态。为解决这一问题，在天线的基础上提出了一种加载谐振臂的方法，两谐振臂分别整合在外侧圆环两侧且相对于馈电结构对称设置，如图（）所示。由图看出，天线因加载谐振臂而改善天线的阻抗匹配，进一步降低了值。在 和 频带内满足 。(a)?天线 1(b)?天线 2(c)?天线 3图天线设计过程-35-30-25-20-15-10-50S11/dB天线 1天线 2天线 32.53.03.54.0 4.55.05.56.06.5频率/GHz图不同天线结构曲线天线参数分析与优化通过改变天线辐射贴片及接地板的尺寸可以减小天线在工作时输入阻抗中的电抗分量，使电阻分量与馈线的特性阻抗大小尽可能相等，二者差值越小，匹配状态越好。为了进一步提高天线性能，优化天线的阻抗匹配，对天线中的主要参数（，）进行了优化分析，同时其他值保持不变，如图所示。-35-30-25-20-15-10-50S11/dB2.53.54.55.56.5频率/GHzL2=4.8L2=5.4L2=6.0(a)?L2-35-30-25-20-15-10-50S11/dB2.53.54.55.56.5频率/GHzR1=2.0R1=2.5R1=3.0(b)?R1-40-30-10-200S11/dB2.53.54.55.56.5频率/GHzW3=4W3=6W3=8(c)?W3-35-30-25-20-15-10-50S11/dB2.53.54.55.56.5频率/GHzR4=7R4=8R4=9(d)?R4图不同结构参数条件下天线曲线 由图（）可以看出，连接贴片长度的变化主要对天线的高频段产生影响，对低频段的影响较小。仿真结果表明，当连接贴片长度 时高频段谐振点恰好位于 处，随着数值的增大或减小，处的谐振点均向更高频处移动。由此可见，值是影响高频谐振点位置及大小的主要影响因素之一。保持连接贴片长度传 感 器 与 微 系 统第卷 不变时，改变内侧圆环内径的大小，频段谐振点逐步向更高频处移动，如图（）所示。当 时高频谐振点达到 频点处，达到设计要求。不仅辐射贴片尺寸会影响谐振点的位置及大小，接地板尺寸的变化也会改变谐振点的位置及大小，图（）分析了接地板宽度的变化对天线高低频段谐振点的影响。可以看出，接地板尺寸对谐振点的影响，具体表现在随着的增大高低频谐振点均向更高频处移动，当 时值达到最优。外侧圆环的外径的变化对高低频段谐振点位置的影响较小，主要体现在改变尺寸可以显著降低双频段的值。由图（）看出，当 时不仅所期望频段达到最优位置，其值也有明显降低。讨论与结果电流分布图给出了不同谐振点辐射贴片的表面电流分布，通过电流分布可反映出影响天线工作频段的主要因素。图（）为工作频段位于 时的电流分布，可以看出，表面电流主要分布在微带天线靠近馈线结构及外侧圆环处；图（）为工作频段位于 时的电流分布，表面电流主要分布在内侧圆环及内外圆环的连接处。可见，外侧圆环半径对低频处的天线性能有较大的影响，而内侧圆环则主要影响天线在高频处的辐射性能。Jsurf?A/m2.631?11012.455?91012.280?71012.105?51011.930?31011.755?11011.579?91011.404?61011.229?41011.054?21018.790?01007.037?81005.285?71003.533?61001.781?41002.928?310-2(a)?3.5?GHz(b)?4.9?GHz图不同工作频率条件下天线电流分布远场辐射图给出了天线不同频段面和面的主极化与交叉极化辐射特性，其中，面是指与电场方向水平的平面，面则为与电场方向垂直的平面。天线辐射远场的电场矢量在满足主极化方向运动的同时，因天线结构和材料等原因，也会在主极化的正交方向上产生交叉极化，所以主极化和交叉极化是评判天线性能的重要标准。本文中主极化方向与电场方向平行，交叉极化方向则与电场方向垂直。图天线设计中，要尽可能增大主极化增益值，减小交叉极化增益值，差值越大，说明天线辐射特性越好，一般要求主极化增益高于交叉极化增益 以上。由图可以看出，主极化增益与交叉极化增益差值满足要求。另一方面，全向辐射特性代表了天线在各个方向的辐射能力，对于不同的用途，要求天线有不同的方向图。图（）和（）反映了天线在不同频段个平面的方向图，可以看出，所设计的双频段微带天线在个频段均具有较好的全向辐射特性。200-20-40-60-80-20020-40-60-803303002700306090240120210150180E 面(xoz)主极化E 面(xoz)交叉极化H 面(yoz)主极化H 面(yoz)交叉极化(a)?3.5?GHz(b)?4.9?GHz200-20-40-60-80-20020-40-60-803303002700306090240120210150180图不同频率二维远场辐射天线增益图给出了加载对称谐振臂前后的天线在谐振点附近增益值对比曲线。可以看出，加载对称谐振臂后的天线在 和 谐振点附近增益值有明显增大。仿真结果显示，加载对称谐振臂前天线在 和 频点的增益峰值分别为 和 ，而加载对称谐振臂后天线在其相应的增益峰值达到了 和 。可见，加载对称谐振臂影响了天线辐射表面的电流路径，改善了阻抗匹配，对于提高天线增益有显著效果，改善了功率偏小的问题。01.02.03.04.05.0增益/dBi2.53.03.54.04.55.05.56.0频率/GHz加载谐振臂前加载谐振臂后图不同条件下增益大小对比电压驻波比图给出了加载对称谐振臂前后微带天线的电压驻波比（，），值越接近，说明天线辐射效果越好，传输功率越高。由图中可以看出，加载对称谐振臂后的天线在所需的频段内均小于。由公式 （）（）可计算出其反射功率（）在 以内，传输功率（）达到了 。在最低谐振点 和处，可控制在以内，此时的传输功率（）达到了 以上。通过图观察到，在高频段加载谐振臂前后的值存在明显差异，说明加载对称谐振臂后的天线性能相比加载对称谐振臂前有较大改善。天线实测对所设计天线进行加工并利用矢量网络分析仪对天线的值进行测试，测试结果如图所示。从实测结果可以看出，天线在 和 附近值均小于，在 附近实测与仿真结果基本吻合，且实测结果比仿真结果有更宽的带宽。在 处实测与仿真结果存在差异的原因主要是由于天线在加工过程中的尺寸第期刘长勇，等：加载对称谐振臂的双频段微带天线012345VSWR2.53.03.54.04.55.05.56.0频率/GHz加载谐振臂前加载谐振臂后6.5图不同条件下对比误差、焊接工艺、测试环境以及材料本身所导致。综合来看，所设计的天线具有小巧便携、便于集成的特点，符合设计要求。2.5 3.0 3.5 4.0 4.5 5.0 5.5 6.0频率/GHz仿真实测6.5-35-30-25-20-15-10-50S11/dB图天线仿真、实测对比结论本文设计并测试了加载对称谐振臂的双频段微带天线。通过在圆环形单极子天线内部增加小尺寸圆环使其在高频段处产生谐振，达到双频段的设计目的。为了提高双频段微带天线的性能，在外侧圆环两侧设置了对称的矩形谐振臂。通过仿真结果与实测数据表明：加载对称谐振臂后的天线满足频段要求，完全覆盖 和 频段。通过分析电流分布、全向辐射性能、和增益值可以看出，天线具有较好的全向辐射性和较大的增益，满足设计要求。参考文献：唐灿，郑宏兴，王辂，等一种应用于的紧凑型阵列天线设计太赫兹科学与电子信息学报，（）：赵张源，朱灿焰终端天线结构设计综述电子技术应用，（）：，唐澜菱，朱永忠，董琳，等双频圆极化天线设计方法综述电讯技术，（）：王安义，叶竹辉，李旭虹，等 波段超宽带双极化微带贴片天线的设计科学技术与工程，（）：蒋尚杰，王全宇，陈小强，等 频段倒印刷天线的设计与研究传感器与微系统，（）：，（）：张媛媛，陈星高效率电小平面折叠偶极子天线设计信息技术与信息化，（）：侯翔宇，张兴红，刘淼源新型超宽带微带单极子天线的设计压电与声光，（）：杨放，卫铭斐，周军妮，等小型化宽频带圆极化半圆形微带贴片天线探测与控制学报，（）：许浩源，李媛媛，马连杰 微压力传感器及其双频微带天线设计传感器与微系统，（）：，（）：王丽黎，张悦，杨海龙，等应用于超宽带天线的新型小型化阻带设计磁性材料及器件，（）：，杜成珠，王倩基于液晶聚合物基片的柔性双频天线电测与仪表，（）：，（）：，（）：