抗金属带反射板可调多频蝶形天线∗

由于存在不同标准的无线通信系统,人们往往需要双频或多频天线[1-3]来接收各种不同频段的信号,例如2G/3G/4G/WiFi信号。无线通信系统中有时需要在金属机壳或金属柱体等载体上贴装天线,金属载体会影响天线的辐射特性,双向或全向辐射天线对载体的辐射还可能会带来电磁兼容问题。因此,国内外不少专家学者研究了各种各样的天线,来满足金属平台上的通信需要。主要方法是利用背腔式天线中的金属腔[4-5]或微带天线中的金属接地面[6-8]或金属反射板[9-10]抑制一定方向的辐射,实现抗金属天线。例如,李勇[11]提出了一种新型多频蝶形微带天线,通过在天线辐射臂上开取3对“工”字型缝隙,再采用3块背面为金属面的介质基板构成“U”型半封闭腔体,实现能在金属平台上工作的2.6 GHz以上多频天线。

微带天线是一种具有微带贴片、介质基片和接地面的天线。常规单频段微带天线,虽然能用在金属载体,却不能满足某些多频段通信应用领域的要求。此外,能用于金属平台上低频段常规天线尺寸偏大,不能满足某些应用领域的要求。例如,400 MHz频段的常规微带天线根据相关理论公式长度达到0.3 m左右。

从目前文献调研情况来看,能用在金属平台上的多频天线在低频段尺寸偏大,频率往往不能调节。针对以上研究问题,提出了一个新型多频抗金属天线,它使用带反射板的蝶形天线结构。实际测量结果表明,仿真结果与实验结果基本一致,具有多频段抗金属特性。

1 带反射板多频蝶形天线设计与原理

1.1 天线结构与原理

该新型多频蝶形天线,包括上层的单层天线基板(基板上开有一个金属化通孔)及下方与之间距为D的金属反射板。单层天线基板上包含以下几部分：天线基板上表面的连接有微带线的钥匙形辐射单元、天线基板下表面的蝶形辐射单元、下表面的通过微带线和蝶形辐射单元相连的波峰形状接地面。下表面的蝶形辐射单元通过金属化通孔和上表面钥匙形辐射单元相连。

由于金属能反射电磁波,天线自带的金属反射板起到抗金属环境干扰的作用,调整天线基板和金属反射板之间的间距D,还可以调节天线工作频率。钥匙形辐射单元是单极子天线的变形结构,蝶形辐射单元是偶极子天线的变形结构,钥匙形辐射单元、蝶形辐射单元和波峰形状接地面的新型组合产生了多频辐射。通过控制钥匙形辐射单元和蝶形辐射单元的形状,以及微带线的宽度,改变天线电流和场分布,满足不同情况下对天线频率和辐射特性的需求。改变微带线的宽度可以调整天线的阻抗匹配。

1.2 天线仿真分析

应用仿真软件HFSS对该天线进行仿真分析,仿真模型中已经人为地加入金属面用来模拟金属平台,当采用厚度为1 mm的国产FR4基板(εr＝4.4,tanδ＝0.02)时,优化设计后得到天线的总长度和总宽度分别为180 mm、180 mm,图1中所标注的天线尺寸参数经优化设计后为：R1＝30 mm、R2＝6 mm、R3＝1 mm、D1＝1 mm、D2＝11 mm、D3＝2.5 mm、D4＝70 mm、D5＝10 mm、D6＝70 mm、D7＝5.5 mm、D8＝87 mm、D9＝40 mm、D10＝23.7 mm、D11＝4.5 mm、a＝28 mm、b＝33 mm、D＝9.0 mm。 表1列出了天线此时在各个频段的反射系数、天线效率、增益等参数。由表可见,满足反射系数S11＜-10 dB(对应VSWR≤2)时,天线能同时工作在440 MHz/630 MHz/1 735 MHz/2 450 MHz,各谐振点增益为 1.3 dBi(440 MHz)、3.7 dBi(635 MHz)、6.2 dBi(1735 MHz)、5.3 dBi(2 450 MHz),能满足常规应用需求。

图1 天线结构示意图

1-天线基板,2-金属通孔,3-金属板,4-钥匙形辐射单元,5-蝶形辐射单元,6-波峰地

表1 天线的参数

图2给出了该天线的反射系数S11分别在高频段和低频段随天线基板和金属反射板之间的间距D变化仿真曲线图。如图所示可见当间距D从5 mm变大至14 mm时,天线在低频段前两个谐振点工作频率逐渐升高,天线在高频段后两个谐振点工作频率稍微降低。

为了充分说明天线各辐射单元对所天线多频段特性所起的作用,给出了天线各谐振频点的电流分布图,如图 3所示：图(a)为 0.44 GHz、图(b)为0.635 GHz、图(c)为1.73 GHz和图(d)为2.45 GHz。从图中可以看出钥匙形辐射单元、蝶形辐射单元等的上面都分布了电流,都参与了天线辐射,当频率较低时(如0.44 GHz)电流流经的长度更长,反之频率较高(如2.45 GHz)时电流流经的长度更短。

图2 天线的增益随间距D变化图

图3 天线的电流随频率变化图

2 天线的制备与性能测试

基于上述优化设计的天线尺寸,在环氧玻璃纤维布FR4基板上实际制备了该天线,图4左边给出了该天线实物不含金属反射板时的正面,天线的尺寸大小为180 mm×180 mm。为了对比,图4右边给出了一个工作频率为440 MHz的微带天线,可见所设计天线比同频段微带天线小。

图4 天线照片

为了证明所制备天线的多频段特性,用矢量网络分析仪AV3672A-S测量了天线的S11参数,并如图5所示分别在绝缘载体和金属载体上测试天线。如图6所示,对比了该带反射板多频蝶形天线的S11参数随频率变化的仿真曲线和测量曲线,证明当对应的S11小于-10 dB时,该天线能同时工作在0.439 GHz～0.441 GHz,0.632 GHz～0.643 GHz,1.7 GHz～1.82 GHz和2.44 GHz～2.503 GHz频段。通过对比图6中金属载体和绝缘载体上天线的测试结果,可以看出天线不受金属环境的干扰。

图5 在金属载体上测试天线

图7显示了天线在0.44 GHz/0.635 GHz/1.735 GHz/2.45 GHz下xoz面和yoz面的归一化辐射方向图(通过天线中心点且垂直于天线平面的轴为z轴)。从图中我们可以得出这样的结论：所设计的天线在所需的工作频段上呈现出朝金属载体的上半空间辐射特性,适合应用需要。

将所设计的天线和目前国内外学者研究的天线在表2中进行了比较,可以看到所提出多频天线电尺寸较小、能用于金属载体且频率可调节,其综合性能优于大多数同频段天线,同时结构简单、制作方便。

图6 天线S11随频率变化特性

图7 天线在xoz平面和yoz平面的辐射方向图

表2 双频天线比较

注：λmax是天线最低工作波长

4 结论

设计并实现了一种频率可微调的新型多频段带反射板蝶形天线。与现有的传统微带天线不同,该天线通过天线基板上下表面的钥匙形辐射单元和蝶形辐射单元产生辐射,能同时接收