一种双U形槽加载的新型三频平面倒F天线

一种双U形槽加载的新型三频平面倒F天线3

牛　凤　李征帆

(上海交通大学电子工程系,上海200030)

摘　要:　提出一种新型的三频平面倒F天线结构。通过在矩形贴片上开双U形槽,非常容易获得三频特性,而且可以很方便地实现对三个谐振频率的单独调节。文中设计了一个工作在GS M/DCS/I S M三个频段的平面倒F 天线,采用基于矩量法的I E3D软件进行建模、仿真和分析,实测结果与仿真结果相当吻合。此外,由于这种天线只用一个同轴探针馈电,尺寸小并且结构简单,因而容易设计、制作和调节。

关键词:　无线通信,三频天线,平面倒F天线,U形槽加载

A Novel Tri ple2band Pl anar I nverted2F Antenna

with Two U2Shaped Slots

N I U Feng,L I Zheng2fan

(D epart m ent of Electronic Engineering,Shanghai J iaotong U niversity,Shanghai200030,China)

Abstract:　I n this paper,a novel tri p le2band P I F A structure has been p r oposed.By etching t w o U2shaped sl ots in a rectangular patch,the tri p le2band character can be obtained easily.The tri p le res onant frequencies can be tuned independ2 ently by changing corres ponding parameters.An antenna for GS M/DCS/I S M has been p resented.The designed antenna is si m ulated by I E3D s oft w are and agrees quite well with the experi m ental result.Additi onally,the p r oposed P I F A only uses a single feed,and has a compact p r ofile and si m p le structure.Hence it is easy t o design,manufacture and adjust.

Key words:　W ireless communicati on,Tri p le2band antenna,Planar inverted2F antenna,U2shaped sl ot l oaded

引　言

随着无线通信的快速发展以及提高系统集成度

的迫切要求,小型双(多)频微带天线得到了越来越

多的关注和研究。所谓双(多)频天线是指:在两个

(或两个以上)不同的频段范围内,各项性能(包括

带宽内驻波比、增益、方向图和效率等指标)均能满

足系统要求的天线。理想的双(多)频天线应该是

在两个(或多个)工作模式下具有相似的特性,如相

似的阻抗匹配特性、相似的辐射特性等。

实现双(多)频的方式主要有以下4种:模式正

交、多贴片、缝隙加载和集总元件加载。模式正交是

实现双频的最简单的方法,它利用贴片的两个正交

的长度,产生两个正交的模式———T M

10和T M

01

,此

时,两个频率的比值等于矩形贴片的两个边长之比;多贴片方法包括层叠结构和共面结构两种,是通过多个辐射元来获得多频工作特性,每个辐射元在其谐振点提供很强的电流和辐射;缝隙加载和集总元件(包括短路针、短路片等短路结构)加载又被统称为电抗性加载,这两种方式不仅可以产生双(多)频,而且还有利于天线的小型化,因而被较多地采用。

较之于多贴片和集总元件加载,缝隙加载是一种更为理想的实现双(多)频的方式,它可以在单层微带天线上实现,制作生产相对简单,且易于和微波电路集成。缝隙的形状可为矩形、U形、π形等。其中U形缝隙简单并且特性较好,被广泛地应用于双频天线的设计中[1～5]。文献[1]在矩形贴片靠近辐射边缘的两侧开一对平行的U形槽,实现频率比为1.43～1.6的双频设计。文献[2]将H形贴片和U 形槽结合起来,得到频率比为1.716～2.363的双频天线,且两个频率可以单独调节。文献[3,4]通过

第23卷第2期2007年4月　　　　　　　　　　　　　

微　波　学　报

JOURNAL OF M I CROWAVES

　　　　　　　　　　　　　　　Vol.23No.2

　Ap r.2007

3收稿日期:2005207225;定稿日期:2005212202基金项目:国家自然科学基金资助项目(60271030)引入U形槽,在平面倒F天线(P IFA)上实现了双频设计。文献[5]进一步研究了U形槽加载P IFA的双频特性,并通过在U形槽上使用蜿蜒线的方法实现了一种单频宽带P I FA设计。

本文提出U形槽加载P IFA的另一种设计思路———通过在U形槽加载P I FA内部再引入U形槽,即双U形槽加载P I FA,实现三频天线设计。目前已经有比较多的多(双)频微带天线设计方案,但是在调试过程中由于很多天线结构参数对各个频段都有较大影响,因此需要多次反复的调节才能达到设计要求。较之于其它类型的三频设计,本文提出的双U形槽加载P I FA设计更为直观,并且结构简单,调节容易。通过改变其中对应的参数,可以很方便地实现对三个谐振频率的单独调节。

按照这种设计思路,本文设计并制作了一个工作在GS M/DCS/I S M3个频段的新型三频天线,测试结果与仿真结果相当吻合,证实了设计的有效性。

1　天线结构与参数分析

天线结构如图1所示。矩形贴片(辐射元)和接地板距离为h,中间采用空气作为填充介质。在贴片左侧边缘用宽度为s、高度为h的短路片接地;在贴片的横向轴线上采用同轴探针馈电,馈电点与左侧边缘距离为p;在贴片上开如图1(a)所示的双U形窄槽。

未加U形槽之前,该天线就是一个普通的P I2 FA,其结构是由常规的微带天线加载短路结构得到,其辐射机理也可以从微带天线的辐射机理推导出。无限大接地面或者接地等效无限大的矩形辐射单元的P I FA,其谐振频率f

r

基本上可以由下面的公式来估算[6]:

f r≈

c

4(w

p

+l p)

(1)

式中,c为光速,w

p 、l

p

分别为平面辐射单元的宽度和

长度。

在贴片上开双U形槽后,每个U形槽均围成一个矩形单元,相当于一个辐射单元,在一定的频率产生谐振。这样,与原来的矩形贴片一起,相当于形成了3个辐射单元,在3个频率点产生谐振。长度为l、宽度为w的矩形贴片作为辐射元0,产生低频谐振频率f

;由大U形槽所围的长度为l1、宽度为w1

的贴片部分作为辐射元1,产生中间谐振频率f

1

;由

小U形槽所围的长度为l

2、宽度为w

2

的贴片部分作

为辐射元2,产生高频谐振频率f

2。3个辐射元共用

同一个短路片接地和同轴探针馈电

。

图1　天线结构

对于三频天线,一般很难对3个频率点都进行

估算,因而设计较为复杂。U形开槽的优点便是容

易对每一个谐振频率点进行估算,大大方便了设计。

对于双U形槽P I FA结构,可将(1)修正为:

f r≈

c

4α(w p+l p)

(2)

其中α为修正因子,对3个频率点略有不同:对于

f0,α略大于1;对于f1、f2,α略小于1。可见,加双U

形槽后的三频天线与未加槽的单频天线尺寸相仿,

却以较紧凑的面积实现了三频。另外,α与短路片

的宽度s、以及U形槽的位置t

1

、t

2

有关。用w、l,

w1、l1,w2、l2依次取代式(2)中的w p、l p,便可得到每

一个谐振频率点的近似估算值。图2是保持其它参

数不变,仅改变一个参数时的仿真结果,可见两个U

形槽参数对谐振频率的影响基本,即改变w

i

、

l i、d i(其中i=1,2),仅对f i有较大的影响。这样,通

过调节w、l,w

1

、l

1

,w2、l2等参数,很容易实现指定的

三频工作,调节起来非常方便。保持馈电点在横向

轴线上,调节短路片的宽度和馈电点的位置,可以使

3个频率都能够较好地实现阻抗匹配。

2　仿真与实验结果

根据上述分析,采用双U形槽缝隙加载平面倒

F结构,我们对工作在GS M(0～960MHz)/DCS

(1710～1880MHz)/IS M(2400～2484MHz)的三频

天线进行了设计、仿真和加工制作。

采用基于矩量法的I E3D软件进行建模仿真,

为了便于与实测结果进行比较,建模时设定贴片与

83

微　波　学　报2007年4月图2　双U形槽主要参数的影响

接地板之间的填充介质介电常数为 1.05。仿真得到的3个谐振频率点分别为:930/1790/2400MHz。天线的方向参数如表1所示。可见,在3个谐振频率的方向参数较为接近。辐射方向图如图3所示。由于天线本身结构的不对称性,方向图存在一些畸变,但总体而言,3个频率具有相似的辐射特性,实现了三频工作。同时,我们对该天线进行了加工制作。天线几何参数为:h=10mm,s=9mm,t

1

= 17mm,t2=6mm,l=56mm,w=22mm,l1=30mm,w1

=14mm,l2=26mm,w2=6mm,d1=d2=2mm,p= 2mm。制作时贴片和短路片均采用厚度为0.2mm 的铜皮,接地板采用厚度为0.4mm的铜皮,以保证天线具有一定的强度不易变形,接地板尺寸为120mm×120mm。在贴片和接地板之间采用泡沫塑料(介电常数约为 1.05,与空气接近)作为支撑介质,以保持贴片水平。采用安捷司的8722ES 网络分析仪进行测试,测试得到的3个谐振频率点分别为:940/1790/2400MHz。图4和表2是S

11

参数的测试结果与仿真结果的比较,可见,二者相当吻合,该天线在3个指定频率处均实现了较好的阻抗匹配。然而同时也需要指出,该天线的带宽和GS M、DCS、I S M实际应用带宽的要求还有一定的差距,可以通过进一步优化U形槽尺寸(主要是缝隙的宽度)、改进馈电结构和采用匹配网络这些方法

来展宽带宽。

图3　天线的辐射方向图

表1　天线方向参数的仿真结果

频率(GHz)方向系数(d B i)增益(d B i)效率(%)

0.933.363.0494.3

1.793.29

2.5987.8

2.40

3.542.9688.9

(下转第54页)

93

第23卷第2期牛　凤等:一种双U形槽加载的新型三频平面倒F天线　

微带线设计的相同参数的低通滤波器相比,通带到

阻带的过渡加快,阻带最大衰减有5dB 左右的改善。因此,缺陷地结构实现高阻抗线的方法代替微带高阻抗线不仅减小了制作工艺的难度,而且改善了低通滤波器的性能。

参　考　文　献

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高　初　1978年生,东南大学无线电工程系电磁场与微波

技术专业博士研究生,主要研究方向为电磁带隙结构和微波电路的快速分析。

E 2mail:chugao@e mfield .org

王蕴仪　现为东南大学教授、博士生导师。主要研究方向

为微波毫米波固态器件与电路、微波网络理论、高温超导微波器件与电路。

(上接第39页

)

图4　S 11参数的仿真及测量结果

表2　仿真及实测的各频段带宽频段

中心频率(MHz )-10d B 带宽(MHz )

仿真实测仿真

实测GS M 9309401618DCS 17901790

16

16

I S M

2400

2400

22

26

3　结束语

本文通过双U 形槽加载P I FA 的方法,给出了

一种新型的三频平面倒F 天线结构。这种天线轮廓小,结构简单,加工容易且成本低。其最大的优点就是设计直观简捷,调节方便,通过改变对应的尺寸,3个谐振频率可以较为地调节,这为天线的设计带来了很大的方便。

参　考　文　献

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Pr opagati on,1997,45:1451～1458

牛　凤　女,1981年生,上海交通大学电子工程系微波教

研室研究生。主要研究方向为小型、多频微带天线以及E BG 结构的分析和设计。

E 2mail:app leniufeng@sjtu .edu .cn

4

5微　波　学　报2007年4月