一种新型u型开槽的平面前置f型双频微带天线

一种新型u型开槽的平面前置f型双频微带天线

新型双频微带天线的提出和实现移动通信技术的快速发展和应用，有效地促进了现代通信天线向规模和多功能方向的发展（多段、多极化、多功能）。设计小型多功能天线已成为目前天线研究的重点。微带天线以其体积小,重量轻,低剖面,能与载体共形,易于制造,成本低,易于与有源器件和电路集成为单一的模件,便于实现圆极化、双极化和双频段等优点得到日益广泛的关注和应用。小型化宽频带和双频段微带天线则成为需求的一个趋势。文献、对宽频带和双频微带天线的实现技术作了一些论述,其中双频微带天线的实现一般采用多片法、多模单片法以及加载单片法。加载单片法的特点是两个谐振频率的距离可以调节得很近,从而获得相同的极化和方向图。这种方法一般通过加载微带支节和缝隙来实现,而缝隙加载的优点是体积小、易于加工,这种方法使天线可在有限频带内实现多频点工作,其应用在微带天线的发展及工程上有一定的潜力。近年来很多文献中提出一种平面倒置型微带天线(PIFA),因为其结构简洁,可以实现辐射单元1/4λ甚至于1/8λ尺寸的工作,因此在无线通信终端的应用也是愈来愈受重视。在文献中出现的一种实现双频的设计方案,其结构是在单层的贴片上加载U型槽,主要讨论了U型槽的各个参数以及接地板参数大小对于天线频带的影响。本文基于以上的分析研究提出了一种新型U型开槽的平面倒置F型双频微带天线,该结构的主要特点是将辐射贴片折叠为上下两层结构,在上辐射贴片通过U型槽的加载实现双频操作,它的最大优点就是不但实现了双频段工作而且还满足了微带天线的小型化要求。通过仿真设计实现了工作于GSM900MHz/DCS1800MHz双频段工作。在低频端带宽71.6MHz大约为7.74%、高频端带宽142.4MHz大约为7.91%。1电抗加载方法利用电抗加载的方法可以使微带天线实现双频工作,此时双频比可以调节得较接近1。根据空腔模型理论,薄基片的微带天线在主模谐振频率附近的输入阻抗Zin可等效为Zin=R+jXf1+jXf2,其中Xf1为主模并联谐振等效电路的“谐振”电抗,Xf2为其他模的合成效应。当天线谐振时,Xf1+Xf2=0。若用一个电抗对微带天线进行加载,则上述的特征方程变为Xf1+Xf2+Xl=0,调节Xl的值,可以获得两个零点,这便是电抗加载方法的基本原理。由此得到的两个谐振频率,在未加载时谐振频率的两侧。起初人们提出加载微带支节的方法,这意味着天线尺寸的增大,因此缝隙加载应运而生。对于缝隙加载而言,Xl是缝隙参数(包括长度、宽度和位置)的函数,通过调整缝隙的这些参数,可以改变两个谐振频率的距离。对于U型开槽加载,通过调节U型槽的双臂、槽宽等,可以实现双频以及与同轴线的50Ω阻抗匹配。2天线的结构尺寸天线的原型结构是一种普通的平面倒置F型微带天线(PIFA),如图1所示。倒置F型微带天线类似1/4λ单极子天线,为了使其结构尺寸减小,天线的辐射单元末端折叠,通过U型开槽,最终获得很好的仿真效果,在低频端带宽71.6MHz大约为7.74%,高频端142.4MHz大约为7.91%,天线的具体大小见图2所示。天线的两个谐振频率主要决定于天线的两个辐射单元的尺寸(L1+L2+h,W1)和(L3,W3)。天线的阻抗匹配可以通过调节U型槽的位置和缝隙的宽度,以及辐射单元的大小来实现。3天线参数的优化辐射单元的长度L1+L2+h和宽度W1决定天线较低的谐振频率,可以由以下公式近似计算:这里,c为真空中光速,l和w为辐射单元的长度和宽度,flo为低频端的谐振频率。对于较高的谐振频率可以将L2和W2代入l和w之中,其中L2和W2是U型槽所包围的辐射单元的长度和宽度。为了验证仿真结果的有效性,首先对原型结构的微带天线进行仿真,仿真结果见图3所示。由图3可以看出本文的仿真结果与原文献的数据结果相当一致,从而验证了本文仿真结果的有效性。通过仿真我们发现U型槽的宽度对于两个谐振频率的影响非常敏感,我们取G1=G2分别等于0.5mm、1.0mm、1.5mm,通过计算可以发现当缝隙的宽度增大时两个谐振频率都开始向外面移动,低频变得更低,而高频变得更高,见图4所示,通过优化,最终取缝隙尺寸大小L3=27.5mm,W1=9.25mm,缝隙的宽度G1=G2=0.5mm,此时获得两个谐振频率是我们所需要的。在天线的结构中一个非常重要的参数就是折叠部分辐射单元的长度L2,因为折叠部分的辐射单元对于接地板和上面的辐射单元有着较强的互耦效应,当调节L2的长度时,可以明显地改变两个谐振频率的频率比值。从图5可以清楚地反映出,两个谐振频率都随着L2增大而不断降低,这就为调节两个谐振频率提供了方向,基于这种思路仿真了一系列的天线,通过各个参数的优化实现了GSM900MHz/DCS1800MHz双频工作。接下来比较通过调节L2的大小所获得的带宽,谐振频率见图6。通过优化,当L2=26mm时,带宽在低频端为74.2MHz(8.5%),在高频端为85.7MHz(4.8%),通过调节L2可以获得更高的双频段,可应用于PCS(1850～1990MHz)或是UMTS(1920～2170MHz)通信系统。另外一个重要参数是短路壁WS,当其他参数固定不变时,天线的带宽将受到WS的影响,比较WS=1、2、3mm的情况,可见当WS=1mm时,带宽比较宽,见图7。通过优化后我们取L2=26mm,WS=1mm,G1=G2=0.5mm,这时在天线的-7.3dB(VSWR=2.5∶1)反射损耗衰减处,输入阻抗带宽在较低频段为80.4MHz(889.2～969.6MHz)大约为8.5%,在较高频段103.0MHz(1729.1～1832.2MHz)大约为5.8%。最后优化同轴探针的馈电位置,结果得到了比较理想的输入阻抗带宽要求,在-7.3dB(VSWR=2.5∶1)反射损耗处达到了输入阻抗带宽71.6MHz(889.2～960.6MHz)大约为7.74%,在较低频段,142.4MHz(1727.3～1869.6MHz)大约7.91%,在较高频段如图8所示。4u型开槽和天线参数对天线工作特性的影响本文提出了一种结构紧凑、构型简单的平面倒置F