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新型的树状结构宽频带天线

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1  引言

随着无线通信、微波集成技术的飞速发展,对低剖面天线,特别是微带天线的需求日益迫切。虽然微带天线已经出现了50余年,但直到近20余年国际上才对其进行了广泛的研究与应用[1, 2]。微带天线具有体积小、总量轻、低剖面、能与载体共型等优点[3],但其最大的缺点就是频带过窄,仅有大概5%。近年来有很多种技术用来提高微带天线的带宽,如L型探针技术[4] 、U型槽加载或环槽加载技术[5, 6] 、多层结构[7]。

基于上述研究背景,本文提出了一种新型的树状结构宽频带天线。其制作在一个小的介质板上(30mm×30mm),满足现代无线通信系统中对天线体积的要求。通过用电磁仿真软件进行仿真,天线的带宽从4.04GHz到6.31GHz,相对于中心频率5.2GHz, 天线的相对带宽达到43.7%,能辐射类似偶极子的方向图。其能够有效覆盖IEEE802.11a与HIPERLAN/2频段(5~6GHz)。对比前面提到的天线[4, 5, 6, 7],此天线拥有简单的结构和较大的带宽。

2  天线结构

提出的天线结构如图1所示,其制作在相对介电常数为4.4,厚度为0.8mm的FR4介质板上(Lsub×Wsub),为了提高天线的带宽,背面采用部分地结构(Lg×Wsub)。天线的正面由三个等腰直角三角型层叠而成,所以直观上看天线是由两个等腰梯形和一个等腰直角三角形组成,其中L1+6=L2,L2+8=L3,W2+4=W1。天线贴片的终端与50W微带线(Lf×Wf)相连接用以馈电。

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图1  天线的结构示意图

用电磁仿真软件优化得到的天线参数见表1。

表1  天线具体的参数

天线参数

尺寸(mm)

Wsub

30

W1

7.8

W3

1.5

Wf

1.4

L1

3

Lf

12

Lg

10.5

Lsub

30

3  仿真与分析

如图2所示为天线的回波损耗仿真结果。通过调整W1,L1,Lg可使天线的带宽达到最大。仿真结果表明,天线在4.04~6.31GHz的范围内回波损耗低于-10dB,在5.68GHz回波损耗小于-30dB。


图3为L1变化时,而其他参数保持恒定时,天线的回波损耗对比图。当L1变化时(L2 ,L3也相应变化),其影响天线的带宽与匹配性能。由图可知,当L1=3mm时,带宽与匹配达到最优。图4为W1变化时(W2也相应变化),天线的回波损耗对比图。当W1=7.8mm时,天线的带宽与匹配达到最优,且能在5GHz~6GHz内回波损耗达到最小。当Lg变化时,天线的回波损耗变化显示在图5中。由图可知,Lg极大的影响带宽与匹配性能,所以设计此天线时应充分考虑Lg对天线性能的影响。本设计中Lg取10.5mm。

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图2  天线的回波损耗仿真结果

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图3  L1变化时天线的回波损耗

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图4  W1变化时天线的回波损耗


图6为天线在低频4.04GHz,中频5.2GHz,高频6.31GHz的方向图。由图可知天线能辐射类似偶极子的方向图,且不随频率改变而发生明显改变。图7为天线在工作频带内的增益图,增益最大为2.34dBi,最小1.51dBi。

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图5  Lg变化时天线的回波损耗

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(a)

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(b)

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(c)

图6  天线在4.04GHz(a)5.2GHz(b)6.31(c)的E面和H面方向图

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图7  天线增益的仿真结果

 

4  结论

本文提出了一种新型的树状结构宽频带天线,通过调整参数,天线可工作与4.04GHz~6.31GHz,相对带宽可达到43.7%,5.68GHz回波损耗小于-30dB。其能在工作频带内辐射类似于偶极子的方向图。且其尺寸较小(30mm×30mm×0.8mm),可以应用于对天线尺寸有严格要求的无线通信系统。

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