共面波导馈电的电小缝隙天线的设计
刘伟娜;杨新伟
【摘 要】提出了一个共面波导馈电的电小缝隙天线.天线包括两个相同的终端短路的槽线缝隙辐射面及加载在馈线中间导带上的阻抗匹配网络.所述的阻抗匹配电路由终端开路的共面波导和并联的两个终端短路的槽线组成.通过引入的阻抗匹配网络与缝隙辐射面,在谐振频率5.8 GHz下,天线的尺寸减小到9.05 mm×12.08 mm×0.8 mm(电长度为0.9).采用电磁仿真软件HFSS对提出的结构进行了仿真,结果显示,S11＜-10 dB的带宽为9.3％,且测试结果与仿真结果相吻合.
【期刊名称】《电子器件》
【年(卷),期】2019(042)002
【总页数】4页(P300-303)
【关键词】微波通信天线;电小天线;阻抗匹配;缝隙天线;共面波导
【作 者】刘伟娜;杨新伟
【作者单位】河南师范大学电子与电气工程学院,河南新乡453007;河南师范大学电子与电气工程学院,河南新乡453007
【正文语种】中 文
【中图分类】TN828.4
平面缝隙天线具有质量轻,体积小,剖面低,易与其他微波电路集成,便于组阵和组合设计等优点受到了众多研究者的青睐[1]。小型化是天线的关键技术,电小天线是天线小型化的极限[2]。因此,数十年来,各式各样的电小天线不断被提出。如果一个天线定义为‘电小’,其包围整个天线的最小尺寸应小于一个波长[3]。而由“Chu极限”理论可知,电小天线的电尺寸越小,则品质因数Q越大,天线的带宽也越窄,从而使天线的整体性能变差。因此我们不得不在天线的尺寸与带宽、增益及效率等方面进行取舍[4]。为提高电小天线的性能,研究者提出了许多方法,如加载超材料单元,采用3D结构,表面镀超导体等[5-9]。这些方法有些因不是平面结构而难于与其他微波电路集成,有些结构复杂,增加了加工的难度和费用[10]。而阻抗加载技术在
电小天线的设计中具有很多优点,比如可以改善馈线与辐射面之间的阻抗匹配,展宽天线的带宽,降低平面天线的尺寸等[11-12]。本文设计了基于阻抗匹配电路的平面电小天线,所述匹配电路由包含开路支节及短路支节的复合结构组成。天线由共面波导传输线馈电,辐射面采用终端短路的槽线段。这种设计不但大大降低了天线的尺寸,展宽了10 dB带宽,提高了天线的增益,且具有结构简单、剖面低、易集成及价格低廉的优点。
1 天线结构及仿真
提出的共面波导馈电的缝隙天线的结构如图1所示。可以看出天线包括两个相同的终端短路的弯折型槽线缝隙辐射面、一个共面波导馈线和一个很小的金属地。设计的天线采用高频仿真软件HFSS仿真,所选用的介质板是罗杰斯R04003C,其介电常数是3.38,介质板厚度为0.8 mm,上层覆铜厚为0.018 mm。
天线尺寸如图1所示,即天线的大小为9.05 mm×12.07 mm×0.8 mm,天线在设计的频率5.8 GHz时,反射系数S11很大(如图2所示),这说明从端口馈入的微波信号几乎全部反射回来,很少或者无信号被天线辐射出去。这是因为天线尺寸的急剧减小,造成了辐射面与馈线之间的阻抗失配。解决方案是在馈线和辐射面之间加载电抗元件,补偿天线因尺寸减小造成的阻抗
失配。
图1 天线的结构示意图
图2 仿真的无阻抗匹配电路的回波损耗(S11)图
图3 阻抗匹配电路示意图
图3是提出的宽带阻抗匹配电路,其是复合结构的支节,加载位置在共面波导馈线的中间导带上,该阻抗匹配电路曾被用于设计小型化的3分贝的共面波导支线耦合器[11]。加载复合支节的天线的结构及尺寸示意图如图4所示。依据传输线理论,复合结构的支节可被看作是终端开路的传输线,可等效为一个纯电抗,因此可抵消天线因尺寸减小造成的输入阻抗虚部的增加。
图4 加载阻抗匹配电路的天线结构及尺寸示意图
采用高频仿真软件对加载阻抗匹配电路的电小缝隙天线进行仿真,其结果如图5所示,对比图2可知,天线的反射系数大大降低,在设计的中心频率处可低至-41 dB,且-10 dB带宽也大大增
加,达到了9.3%。图6 是仿真计算的天线的输入阻抗,可以看出,在中心频率5.8 GHz处,天线的输入阻抗为50.2-j0.098 7,该值与馈线的50 Ω的阻值可以良好的匹配。
图5 仿真的加载阻抗匹配电路的天线的S11图
图6 计算的加载阻抗匹配电路的天线输入阻抗图
经过优化后的天线各部分的尺寸如表1所示,从表1可知,加载阻抗匹配电路后天线所属的金属地的尺寸仅为0.9 mm×1.8 mm。
表1 所述电小天线各部分的尺寸 单位:mmWLW1W2L1L2L3L49.0512.072.130.30661.90.54L5L6L7x1a1b1g1g221.151.250.360.952.070.150.15
2 实验及讨论
图7给出了天线的谐振特性随不同的L4和L5的变化情况,我们可以看出,L4和L5的尺寸对天线的谐振频率及反射系数具有很大的影响,随着L4和L5的增加,天线的谐振频率不断降低,同时反射系数也不断增加,当L4和L5的尺寸减小时,天线的谐振频率有所增加,但反射系数也有所增加,最佳的尺寸当选择为L4=4 mm和L5=2.0 mm。
图7 天线的回波损耗随L4、L5尺寸的变化图
图9 加工的天线的示意图
为进一步研究天线的整体情况,图8给出了仿真的天线上表面的电场分布图[13],可以看出,在两个缝隙辐射面上分布着很强的几乎相同的电场,当然在阻抗匹配电路处也有着比较强的电场。按照仿真的尺寸,加工的天线实物图如图9所示,采用矢量网络分析仪(AV3629D)对天线的性能参数进行了测试。结果如图10所示,我们可以得到,与仿真的相比,测试的反射系数S11的谐振频率偏移大约10 MHz,其S11<-10 dB的带宽为5.62 GHz到6.12 GHz,相对带宽为8.6%。
图8 仿真的天线上表面的电场分布图
图10 仿真与测试的回波损耗(S11)图
图11是天线的辐射方向图,其中图11(a)是仿真和测试的E面方向图,图11(b)是仿真和测试的H面方向图。在E面方向图上,天线具有一定的方向性,辐射方向图成‘8’字形状[14],而在H面方向图上,天线几乎呈全向辐射状态,且测试的E面和H面方向图与仿真的结果很一致。
图11 测量的天线的辐射方向图
图12 仿真计算的天线的增益polarised
图12给出了计算出的天线的增益,可以看出在中心频率5.8 GHz天线的增益为1.755 dBi。
所提出的天线的整体尺寸为9.05 mm×12.07 mm×0.8 mm,也就是说在工作频率5.8 GHz,天线的电尺寸为0.9。参考文献[15]提出了一个平面天线,其辐射面也是采用曲线回流技术构造而成的。但是他们的天线的尺寸为15 mm×15 mm×1.6 mm[15],相比较文献[15],可以看出我们采用加载复合支节结构作为阻抗匹配网络,得到了一个尺寸更小的平面天线。
3 结论
我们提出了一个结构简单、尺寸紧凑、加工方便及价格低廉的平面电小天线,该天线采用共面波导馈线,选择终端短路的弯折型槽线为缝隙辐射面,通过加载复合结构的支节结构的阻抗匹配电路,展宽了天线的-10 dB带宽,大大降低天线的反射系数,提高了天线的增益,得到了具有定向辐射特性的低剖面天线。测试与仿真的结果吻合得很好,上述优点可有力地保证提出的天线应用于无线通信中。
参考文献:
【相关文献】
[1]    Bagheri M O,Hassani H R,Rahmati B. Dual-Band,Dual-Polarised Metallic Slot Transmitarray Antenna[J]. IET Microwaves Antennas and Propagation,2017,11(3):402-409.
[2]  邵羽，陈章友，一种宽带电小天线的研制[J]. 电子学报，2011,29(3)：719-722.
[3]  Ren Xuyao,Chen Xing,Huang Kama. A Novel Electrically Small Meandered Line Antenna with a Trident-Shaped Feeding Strip for Wireless Applications[J]. International Journal of Antennas and Propagation,2012，ArticleID:757429,7pages.
[4]  Simpson T L. The Distribution of Support for the Radiation of Spherical Modes on the Surface of Small Antennas[C]//Radio Science Meeting. IEEE,Memphis,TN,USA,2014:29-29.
[5]  Wang Ruixia,Wei Bin,Cao Bisong,et al. Gain and Bandwidth Enhancement for a Superconducting Electrically Small Antenna[J]. Applied Physics Express,2015,8(4):043102.
[6]  Nayeri P,Liang Min,Sabory Garcia R A,et al. 3D Printed Dielectric Reflectarrays:Low-Cost High-Gain Antennas at Sub-Millimeter Waves[J]. IEEE Transactions on Antennas and Propagation,2014,62(4):2000-2008.
[7]  Li Ke,Zhu Cheng,Li Long,et al. Design of Electrically Small Metamaterial Antenna with ELC and EBG Loading[J]. IEEE Antennas and Wireless Propagation Letters,2013,12(7):678-681.
[8]  赵德春,张龙生,马成. 一款用于无线胶囊内窥镜系统的微带天线设计与仿真[J]. 传感技术学报,2014,27(8):1125-1129.
[9]  郭珂君,彭斌,张万里. 一种声表面波无线传感器的小型化微带天线[J]. 传感技术学报,2013,26(10):1453-1456.
[10]  Shi Yanyan,Fan Yue,Jing Jianwei,et al. An Efficient Fractal Rectenna for RF Energy Harvest at 2.45 GHz ISM Band[J]. International Journal of RF and Microwave Computer-Aided Engineering,2018,28(11):e2142.

版权声明：本站内容均来自互联网，仅供演示用，请勿用于商业和其他非法用途。如果侵犯了您的权益请与我们联系QQ:729038198，我们将在24小时内删除。