雷久淮 姚島 陳光黎 王微 覃鳳

（1.廣東省科學(xué)院電子電器研究所 廣東省廣州市 510400 2.河源市省科院研究院 廣東省河源市 517000）（3.廣東理工學(xué)院 廣東省肇慶市 526100）

在過去20 年里，電子信息產(chǎn)業(yè)一直是增長最快的市場之一。無線設(shè)備被廣泛應(yīng)用于電信、航空、醫(yī)療、軍事等各個領(lǐng)域。這些系統(tǒng)的使用越來越多使得制造商們將注意力集中在無線設(shè)備的改進(jìn)上。因此，微波電路技術(shù)特別是天線技術(shù)近幾年取得了快速的發(fā)展[1‐2]。

在無線通信系統(tǒng)中，天線是最關(guān)鍵的部件之一。天線通常被定義為導(dǎo)波和自由空間波之間的躍遷區(qū)域相關(guān)的結(jié)構(gòu)，或者反之亦然。天線在傳輸發(fā)射時，接收來自傳輸線(同軸電纜或波導(dǎo))的電磁能并將其輻射到太空中;接收時，接收入射波的電磁能并將其通過傳輸線傳送給系統(tǒng)其他部分。在理想條件下，信號源產(chǎn)生的能量完全轉(zhuǎn)移到天線是理想的。然而，在實際中，由于介質(zhì)損耗和輻射損耗等損耗的存在，這種能量的總轉(zhuǎn)移達(dá)到百分之百是不可能的。此外，如果傳輸線與天線匹配失衡，將會在它們的接口上產(chǎn)生反射損失。因此，一個好的天線設(shè)計可以提高系統(tǒng)的整體性能，降低對系統(tǒng)部件的設(shè)計要求。為了滿足當(dāng)今移動和無線通信系統(tǒng)的要求和對其性能的不斷提高，天線工程領(lǐng)域在過去的幾十年里取得了許多研究成果，研究熱點(diǎn)主要朝著小型化、寬阻帶、多頻段和寬頻化等方向發(fā)展，其中小型化天線設(shè)計是應(yīng)對高集成化的根本要素之一。

一般來說，有四種主要的方法來縮小微帶天線尺寸實現(xiàn)小型化：引入高介電常數(shù)，彎折，分形以及接地短接。第一種方法，采用高介電常數(shù)的介質(zhì)板可以降低諧振頻率，有效地減小天線的波長，從而實現(xiàn)小型化, 但是由于高介電常數(shù)會使基板周圍會聚集較高的能量，對場的約束增強(qiáng)，特性阻抗降低，從而會出現(xiàn)輻射效率、帶寬變小，阻抗難匹配。第二種方法彎折技術(shù)是通過蜿蜒天線形狀結(jié)構(gòu)，讓電流在天線上流經(jīng)諧振輻射單元的路徑更長，從而達(dá)到實現(xiàn)小型化的目的。2020 年，Muhammad Zada 團(tuán)隊在文獻(xiàn)[3]提出了一種用于心臟起博器系統(tǒng)的螺旋天線。采用彎折螺旋結(jié)構(gòu)和高介電常數(shù)介質(zhì)板Rogers RT/duroid 6010，達(dá)到了很好的小型化效果，該天線工作在2.4GHz，帶寬21.88%，整個天線尺寸為3 mm *4 mm *0.5 mm。在人體等效溶液和組織模型中進(jìn)行實驗，測得1g 和10g 的SAR 值分別為270.28W/kg 和31.04 W/kg。第三種方法是分形技術(shù)，分形技術(shù)具有自相似性和空間填充性特點(diǎn)，可以極大的增加電流的流經(jīng)路徑，分形的方式有很多，包括Hilbert 分形，Koch 分形，Minkowski 分形等。在文獻(xiàn)[4]中，作者通過2 階Minkowski 分形得到了43.7%體積減小。第四種方法是短接線技術(shù)，對于半波長矩形微帶天線，在patch 下的電場分布呈正弦分布，輻射邊緣電場最大，中部電場為零。如果在貼片的中間放置一個電壁，而將另一半移除，它仍然會以相同的頻率共振，從而原來的patch 就變?yōu)樗姆种徊ㄩLpatch。基于這個理論，學(xué)者Eduardo A. M. Souza 等人在文獻(xiàn)[5]中，先采用二階Koch 分形，然后在輻射單元中間位置引入短接柱，最后實現(xiàn)了70%的小型化效果。

另一方面，隨著現(xiàn)代經(jīng)濟(jì)社會的發(fā)展，人們期望單一設(shè)備能夠具有越來越多的功能，為了實現(xiàn)這一期望，越來越多的不同通信系統(tǒng)需要被同時使用，而這些不同功能的通信系統(tǒng)通常工作在不同的工作頻率，存在潛在的相互干擾。此外，由于設(shè)備中存在非線性元件和模塊，可能會產(chǎn)生非線性的高次諧波或寄生信號，這些非線性干擾信號，也可能會通過天線向外輻射出去，對其他系統(tǒng)產(chǎn)生干擾影響，使其系統(tǒng)性能下降，甚至無法正常工作。要解決這些問題，需要設(shè)備具有良好的電磁兼容性（EMC）特性，在接收端能有效地抑制不需要的信號進(jìn)入系統(tǒng)；在發(fā)射端，發(fā)射系統(tǒng)能有效地濾除掉干擾信號，使這些干擾信號不能發(fā)射出去，進(jìn)而干擾到其他系統(tǒng)，引起電磁污染。

傳統(tǒng)的解決方案是在天線后端級聯(lián)濾波器，通過濾波器的濾波特性濾除掉不需要的頻率，這種方案要求濾波器不僅具有良好的通帶特性和阻帶特性，還要求天線和濾波器有良好的阻抗匹配，以避免因阻抗失配帶來的有用信號插損和失真。然而，良好的阻抗匹配會增加設(shè)計技術(shù)、加工工藝的要求和成本；另外，這種天線級聯(lián)濾波器容易帶來尺寸增大問題。因此，鑒于現(xiàn)代通信設(shè)備正在往集成化，小型化的方向發(fā)展，亟需寬阻帶、小型化，易集成、低成本、通用化的天線結(jié)構(gòu)具有重要的現(xiàn)實意義。

本文設(shè)計并實現(xiàn)了一種結(jié)構(gòu)緊湊的寬阻帶天線。采用彎折結(jié)構(gòu)和改進(jìn)的地，實現(xiàn)了小型化。采用六邊形結(jié)構(gòu)抑制了高次諧波，改善了阻帶性能。同時，在饋線旁邊設(shè)置金屬通孔，為工程使用提供了更多的饋電方式。

1 天線的結(jié)構(gòu)研究

本論文所設(shè)計的寬阻帶天線是在單極子天線的基礎(chǔ)上改進(jìn)發(fā)展起來的一種新型結(jié)構(gòu)，天線3D 拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)如圖1（a）所示。該寬阻帶天線包括矩形介質(zhì)基板1，下層接地金屬板9，金屬通孔6、7，上層金屬貼片，整個天線結(jié)構(gòu)沿介質(zhì)板中軸線左右對稱。

圖1：寬阻帶天線的結(jié)構(gòu)

上層金屬貼片由彼此相連的矩形金屬片2、正六邊形金屬片3 和金屬微帶線4、5 構(gòu)成。其中微帶線4、5 構(gòu)成箭頭形形狀，以縮小天線尺寸，箭頭尖角的夾角8 角度小于180度。矩形金屬片2 是特征阻抗為50 歐姆的微帶線，其一窄邊與介質(zhì)基板1 的一邊對齊，另一窄邊與正六邊形金屬片3交疊，形成光滑連續(xù)外邊沿。類似地，正六邊形金屬片3 的另一角與金屬微帶線5 交疊形成連續(xù)曲線邊，正六邊形金屬片3 的半徑可以用來調(diào)節(jié)阻帶特性。金屬通孔6、7，關(guān)于介質(zhì)板中軸線呈左右對稱分布，其距離矩形金屬片2 邊沿為L1。該金屬通孔可以用來給天線提供更多的饋電接入方式，相比于傳統(tǒng)天線具提供單一的饋電方式，該天線具有易于工程裝配，系統(tǒng)集成的特性，具有較高的工程實用價值。

下層金屬板9 為矩形接地板，其兩窄邊與介質(zhì)基板1 的左右兩側(cè)長邊對齊，其中一個長邊與介質(zhì)基板1 的下部窄邊對齊，另一長邊被一高為L8 的三角形鏤蝕；金屬通孔6、7在下層金屬板9 形成鏤空的圓形通孔，通孔6、7 內(nèi)壁金屬化，且與下層金屬板9 連接。下層金屬板9 為非全覆銅的地，其作用將原二分之一波長天線小型化成四分之一波天線。高為L8 的鏤蝕三角形可以用來調(diào)節(jié)阻抗匹配。

2 天線的參數(shù)分析

本文所設(shè)計的寬阻微帶帶天線工作的中心頻點(diǎn)為2.4 GHz，使用介電常數(shù)為4.4 的玻璃纖維環(huán)氧樹脂(FR4)介質(zhì)板，其損耗角為0.02，厚度h 為1.6 mm。為了研究該天線的頻率特性，我們通過對傳統(tǒng)傳輸線模型進(jìn)行改進(jìn)建模分析。Yin表示從輸入端看過去，天線的電導(dǎo)納。其中YR表示正六邊形的導(dǎo)納，Y2表示寬度為W2的導(dǎo)納，為了研究方便且具有普適性，在分析當(dāng)中，忽略阻抗不連續(xù)性，并且設(shè)定W2=W3=W4。Ysm表示耦合因子。于是，可得：

在諧振條件Im(Yin)=0 的狀況下，諧振頻率計算公式為：

本天線的通帶頻率為公式（2）的基頻，基于公式（2），為了簡化設(shè)計流程，更有效方便地指導(dǎo)工程實踐，在不考慮阻抗損耗的情況下，天線通帶頻率的簡易計算公式為：

在本論文天線中，為了克服通帶的高次諧波，采用了正六邊形結(jié)構(gòu)，R1是其半徑。半徑R1與S 參數(shù)的關(guān)系如圖2所示。從圖中，可以看到當(dāng)R1較小時，在6GHz‐12GHz 有明顯的諧波干擾。隨著R1的增加，諧波干擾得到了明顯的改善。因此在設(shè)計中，可以通過調(diào)節(jié)R1的大小來得到需要的阻帶特性。

圖2：六邊形半徑R1 與回波損耗的關(guān)系圖

3 天線的驗證分析

為了驗證本論文的理論方法，最后設(shè)計并加工制作了一個應(yīng)用在在wifi 2.4 GHz 頻段的天線，天線設(shè)計指標(biāo)如表1所示，實物圖如圖3 所示。圖3（a）為所設(shè)計天線實物片正面照片，金屬部分為輻射部分；圖3（b）為背面照片，金屬部分為地。正面正六邊形金屬片3 的半徑R1為7mm，矩形微帶線5 的寬度為W2=1mm，長度為L2=8.3mm，微帶線4 長度L3=4.2mm，L4=3.7mm，箭頭形夾角8 的角度為120 度，通孔6、7 離金屬矩形條2 的距離L1=3.9mm，L6=13mm，L7=9mm，L8=1.73mm，L9=3mm。圖4 為仿真和實測結(jié)果。通過參數(shù)結(jié)果，可以看到該天線在2.4 GHz 頻段具有良好的通帶特性，并且‐10dB 阻帶范圍可以達(dá)到2.57GHz‐17.8GHz，阻帶和通帶頻率比可達(dá)到7.1。圖5 所示為天線的在2.45GHz的電磁場分布情況。圖5（a）是電場分布，圖5（b）是表面電流分布，圖5（c）磁場分布。從圖5（a）電場分布可以看到，天線的強(qiáng)電場主要分布在L3, L4標(biāo)識的箭頭部分；從圖5（b）電流分布和圖5（c）磁場分布可以看到強(qiáng)表面電流和強(qiáng)磁場主要分布在L2 枝節(jié)和50 歐姆饋線處。產(chǎn)生這種現(xiàn)象的原因是：移動的電荷產(chǎn)生電場，因此電荷聚集的地方電場就強(qiáng)，電壓最大，所以此時電流最小。磁場是由電流產(chǎn)生的，因此磁場和電流的分布情況是一致的。圖6 為天線的方向圖。圖6 （a）為天線E 面，圖6 （b）為H 面。從圖中可以看到天線E 面具有良好的定向性，H 面具有良好的全向性，具有廣泛的工程實用空間和價值。

圖3：實物照片

圖4：仿真和測試結(jié)果

圖5：2.45GHz 天線的電磁場分布

表1：天線設(shè)計指標(biāo)

圖6：方向圖

4 結(jié)論

本文介紹了一種可用于Wi‐Fi 的寬阻帶天線設(shè)計方法，通過改進(jìn)傳統(tǒng)傳輸線模型進(jìn)行建模，分析了該天線的頻響特性。通過參數(shù)分析了阻帶的控制機(jī)理。最后加工制作了一款工作在2.4GHz 頻段的微帶天線，在Wi‐Fi 頻段具有良好的通帶特性，‐10dB 阻帶范圍可以達(dá)到2.57GHz‐17.8GHz，阻帶和通帶頻率比可達(dá)到7.1。該天線加工成本低、易集成、易安裝、性能優(yōu)良并且能夠滿足短距離通信和寬阻帶通信的性能要求。