0 引言
彎折線" title="彎折線">彎折線結(jié)構(gòu)在減小天線尺寸和改善天線帶寬特性方面,,已經(jīng)成為現(xiàn)代天線設(shè)計的新熱點,。為了改善彎折線天線的性能,研究者針對不同的應(yīng)用和特性要求,,提出了多種改進(jìn)結(jié)構(gòu),,其中主要有雙彎折線天線、折疊式彎折線天線,、立體式彎折線天線,、漸變式彎折線天線、行波彎折線天線和彎折線縫隙天線,。
本文提出一種背面帶有耦合貼片的非均勻彎折線單極子天線" title="單極子天線">單極子天線,。通過時域有限差分法,,研究彎折線各彎折節(jié)的幾何尺寸對天線諧振特性的影響,并對耦合貼片的作用進(jìn)行了分析,,最后得到一種頻帶覆蓋IEEE 802.11b/g(2.4~2.484 GHz)和IEEE802.11a(5.15~5.35GHz,,5.725~5.825 GHz)的雙頻天線,能夠滿足WLAN" title="WLAN">WLAN應(yīng)用,。
1 天線建模與結(jié)構(gòu)參數(shù)分析
非均勻彎折線的單極子天線結(jié)構(gòu)如圖1所示,。基板選用Rogers4350B基板,,厚度為0.762 mm,,相對介電常數(shù)為3.48。為了分析方便,,將輻射元分成了3段,;天線的饋電采用了50 Ω的微帶線。
1.1 彎折節(jié)幾何參數(shù)對天線性能的影響
依次改變各彎折節(jié)的線長Ln(n=1,,2,,3)和線寬Wn(n=1,2,,3),,計算出天線的第一諧振頻率f1和第二諧振頻率f2。通過比較f2/f1的變化來研究各彎折節(jié)幾何參數(shù)對天線諧振特性的調(diào)節(jié)作用,。
圖2示出了天線f2/f1隨各彎折節(jié)線長Ln的變化情況,。圖2中,W=58 mm,,L=38 mm,,LG=17 mm,HB=3 mm,,S1=S2=S3=1 mm,,W1=W2=W3=2mm。
圖2(a)~圖2(f)顯示了幾乎相同的變化趨勢,。隨著彎折節(jié)線長Ln的增加,,f2/f1逐漸減小,兩個諧振模式相互靠近,。改變彎折線天線中各彎折節(jié)的線長,,可以實現(xiàn)對第一和第二諧振模式的調(diào)整。
圖3給出了天線f2/f1隨著各彎折節(jié)線寬Wn的變化情況,。圖3中,,W=58 mm,L=38 mm,LG=17 mm,,HB=3 mm,,Sl=S2=S3=1 mm,L1=L2=L3=5 mm,。與圖2中隨彎折節(jié)線長Ln的變化相比,,f2/f1隨彎折節(jié)線寬Wn的變化較為復(fù)雜。
圖3(a)顯示了當(dāng)W2=1 mm時,,天線f2/f1隨著W1的變化情況,。可以看出,,隨著W1的增加,f2/f1逐漸減小,,兩個諧振頻率逐漸靠近,,并且在不同的W3下幾乎保持著幾乎相同的減小速率。
圖3(b)顯示了W3=1 mm時,,天線f2/f1隨W1的變化情況,。可以看出,,隨著W1的增加,,f2/f1逐漸減小,但隨著W2的增大,,f2/f1減小的速率逐漸變小,,最后幾乎保持不變。
圖3(c)顯示了W1=2 mm時,,天線f2/f1隨W2的變化情況,。在W3較小時,隨著W2的增加,,f2/f1先是呈現(xiàn)增大趨勢,;而后,當(dāng)W3增大到某一值時,,f2/f1幾乎不隨W2的變化而變化,;最后,隨著W3的繼續(xù)增大,,f2/f1又呈現(xiàn)減小趨勢,。
圖3(d)顯示了W3=2 mm時,天線f2/f1隨W2的變化情況,??梢钥闯觯赪1較小時,f2/f1先是呈現(xiàn)減小趨勢,;而后,,當(dāng)W1增大到某一值時,f2/f1幾乎不隨W2的變化而變化,;最后,,隨著W1的繼續(xù)增大,f2/f1又呈現(xiàn)增大趨勢,。
圖3(e)顯示了W1=1 mm時,,天線f2/f1隨W3的變化情況。隨著W3的增加,,f2/f1逐漸增加,,并且隨著W2的增加,f2/f1增加速率逐漸減小,。
圖3(f)顯示了W2=1 mm時,,天線f2/f1隨W3的變化情況。隨著W3的增加,,f2/f1逐漸增加,,并且在不同的W1取值下,基本保持相同的增加速率,。
彎折線的線寬對天線f2/f1的影響,,可以理解為改變彎折節(jié)的線寬就改變了第一和第二諧振模式的輻射電流分布狀態(tài),進(jìn)而改變這兩個模式下輻射元的有效電長度,,就造成了f2/f1的變化,。W1和W3的作用正好相反,隨著W1的增加,,f2/f1減?。浑S著W3的增加,,f2/f1增加,;W2的作用正還處在W1和W3之間。根據(jù)上面的討論可以得到,,改變彎折線中天線各彎折節(jié)的線寬,,可以實現(xiàn)對f2/f1的調(diào)整。
1.2 耦合貼片幾何參數(shù)對天線性能的影響
圖4(a)顯示了耦合貼片的寬度(WB)分別取5 mm,,7 mm,,9 mm,11 mm和13 mm時,,天線的回波損耗仿真曲線,。耦合貼片的寬度對天線諧振性能的影響主要集中在高頻段,。隨著耦合貼片寬度的增加,由耦合貼片產(chǎn)生的諧振模式匹配特性變好,,同時本征高次模式向低頻移動并逐漸消失,。
圖4(b)顯示了耦合貼片長度(LB)分別取7 mm,9 mm,,11 mm,,13 mm和15 mm時,天線的回波損耗仿真曲線,。隨著耦合貼片長度的增加,,天線的最低諧振模式向低頻移動,同時匹配特性變好,,但是阻抗帶寬減小,。對于高頻段,當(dāng)LB的取值小于9 mm時,,耦合貼片產(chǎn)生的諧振模式并沒有出現(xiàn),,出現(xiàn)這種情況的原因可能是由于耦合貼片產(chǎn)生的諧振模式與本征高次模式重合。隨著LB繼續(xù)增加,,耦合貼片產(chǎn)生的諧振模式出現(xiàn)并向低頻方向移動,同時高頻段的兩個模式漸漸遠(yuǎn)離,。
圖4(c)顯示了耦合貼片距接地板高度(HB)分別為1 mm,,2 mm,3 mm,,4 mm和5 mm時,,天線的回波損耗仿真曲線。從圖中可以看出,,所有諧振模式都向低頻方向移動,。當(dāng)耦合貼片距接地板高度為2~3 m之間時,高頻段出現(xiàn)兩個諧振模式,;隨著耦合貼片距接地板高度繼續(xù)增加時,,高頻段的兩個諧振模式遠(yuǎn)離,同時匹配特性變差,。
從上面的討論可以得到,,耦合貼片對天線性能的影響主要集中在高頻段。合理選擇耦合貼片的幾何尺寸和距接地板的高度,,可以在不影響天線第一諧振模式的基礎(chǔ)上,,改善第二諧振模式的匹配特性,并擴(kuò)展阻抗帶寬,。
2 天線實際測試結(jié)果
在綜合考慮阻抗帶寬和輻射特性的基礎(chǔ)上,,得到了以下的最優(yōu)化天線幾何參數(shù),其中L=29 mm,L1=6 mm,,L2=6 mm,,L3=6.5 mm,W1=3 mm,,W2=1 mm,,W3=2.5 mm,S1=S2=S3=1 mm,,LB=11 mm,,WB=9 mm,WG=26 mm,,HB=3 mm,,LG=7 mm,LMS=10 mm,。天線實物如圖5所示,。
圖6示出了非均勻彎折線單極子天線的回波損耗曲線。從圖中可以看出,,仿真結(jié)果與實際測試結(jié)果比較吻合,。低頻段測得的阻抗帶寬(S1-1<-10 dB)約為O.5 GHz(2.2~2.7 GHz);高頻段實際測得的阻抗帶寬(S11<-10 dB)約為1.8 GHz(4.48~6.28 GHz),。圖7(a)~(c)分別示出了非均勻彎折線單極子天線在2.442 GHz,,5.25 GHz和5.775 GHz時的增益圖,增益分別為0.7 dBi,,1.65 dBi和2.3 dBi,。
3 結(jié)語
提出一種背面帶有耦合貼片的平面非均勻彎折線單極子天線,通過改變彎折線各彎折節(jié)的幾何尺寸來調(diào)節(jié)彎折線天線中第一和第二諧振頻率的相對位置,,達(dá)到雙頻可調(diào)的目的,;通過背面耦合貼片來改善彎折線天線高次諧振模式的諧振特性,最后設(shè)計出一種頻帶覆蓋IEEE 802.11b/g(2.4~2.48 GHz)和IEEE 802.11a(5.15~5.35GHz,,5.725~5.825 GHz)的雙頻彎折線單極子天線,,在2.442 GHz,5.25 GHz和5.775 GHz的增益分別為0.7 dBi,,1.65 dBi和2.3 dBi,,能夠滿足WLAN應(yīng)用。