徐新元, 王建朋

(南京理工大學 電子工程與光電技術學院, 江蘇 南京 210094)

0 引言

微帶貼片天線(Microstrip patch antenna, MPA)具有重量輕、體積小、結構緊湊、制造成本相對較低等優(yōu)點,因此在現(xiàn)代無線通信系統(tǒng)中得到了廣泛的應用[1-3]．另一方面,考慮到無線通信系統(tǒng)正面臨日益嚴重的環(huán)境噪聲和電磁干擾問題,系統(tǒng)中電路所采用的常規(guī)單端信號工作方式不能解決上述問題,迫切需要發(fā)展基于差分信號工作方式的新型電路和器件．

近年來,差分信號工作方式下無線通信系統(tǒng)和器件的創(chuàng)新研究得到了廣泛的關注[4-5]，包括研制新型的差分微帶天線以及寬帶差分微帶天線[6-12]．如：通過引入U形槽或H形槽的方式,提出的貼片天線的阻抗帶寬可以達到30%以上[9-10]；基于一對折疊平行板提出了一種差分饋電形式的寬帶貼片天線[11]；通過在微帶天線中加載短路柱引入了一個新的諧振模式,有效地拓展了工作帶寬[12]．然而,這些寬帶技術有一個共同的特點,即只有主諧振模式在工作．對于微帶貼片天線,其奇階諧振模(如：TM01、TM21、TM03等)具有相似的端射輻射特性，如果多個奇數(shù)階諧振模被同時激勵并且其工作頻率經(jīng)過調(diào)試可以相互靠近,用此方法將可以設計出一種新型的寬帶微帶貼片天線．

本文基于單個矩形貼片諧振器的多諧振模式特性,提出一種差分激勵新型寬帶貼片天線．通過引入差分饋電方案,可以在激勵奇數(shù)階諧振模式的同時,抑制所有不需要的偶數(shù)階諧振模式(如TM02、TM12等)．在貼片上加載4個短路針額外引入了一個新的奇數(shù)階諧振模式,適當調(diào)整短路針的位置,使前3個奇數(shù)階諧振模式可以彼此接近,設計出一種具有3個諧振模式的寬帶差分激勵貼片天線．

1 理論部分

1.1 差分激勵貼片天線的諧振模式分析

首先,我們對一個單端饋電的矩形貼片天線進行分析,天線沿x軸的寬邊長為2a,沿y軸的長邊長為2b,如圖1a所示．貼片天線在相對介電常數(shù)為εr、厚度為h的介質基板上蝕刻而成,其前3個奇數(shù)階諧振模(即TM01、TM21和TM03模)和第1個偶數(shù)階諧振模(即TM02模),沿長邊的電場分布如圖1b所示．正如我們所看到的,這些模式的電場分布顯示出沿y軸的駐波模式的特性．具體來說,在xoz平面上,奇數(shù)階模式形成理想電壁(E.W.)邊界條件,而偶數(shù)階模式則形成理想磁壁(M.W.)邊界條件．

(a) 結構模型 (b) TM01、TM02、TM21和TM03諧振模式的電場分布

因此,如果矩形貼片天線在(x1,y1)和(x2,y2)這兩個相對于x軸的對稱點處進行差分激勵,如圖2所示,那么在貼片天線兩個饋電點之間始終會產(chǎn)生一個虛擬電壁．綜上,根據(jù)邊界條件的唯一性定理,差分饋電方案可以抑制貼片天線所不需要的偶數(shù)階諧振模式,同時基本上保持原有的奇數(shù)階諧振模式不變．

為了驗證這一理論,本文設計了一種貼片天線原型,其參數(shù)如下:a=25 mm、b=25 mm、h=4 mm和εr=1,饋電點的位置分別位于(x1,y1)=(0,-24)和(x2,y2)=(0,24),兩個饋電點的激勵信號為等幅反相的差分信號．與此同時,本文還設計了一款尺寸、介質基板、厚度以及高度完全相同的單端饋電參考貼片天線來了進行比較分析．圖3顯示了差分饋電天線與單端饋電天線的前3個諧振模式仿真結果．兩個天線都利用電磁仿真軟件HFSS (High Frequency Structure Simulator, HFSS)進行建模．可以看出,差分激勵時,偶數(shù)階諧振模式(即TM02模式)可以被有效抑制．另一方面,奇數(shù)階模式(即TM01和TM21模式)幾乎不會受到影響．此外,差分激勵天線的奇數(shù)階諧振模的頻率與參考天線對應的諧振模式的頻率幾乎相同．因此,差分激勵技術可以用于設計具有多種諧振模式的寬帶貼片天線．

圖2 差分激勵貼片天線的結構 圖3 矩形貼片天線中偶數(shù)階諧振模的抑制

1.2 帶寬增強技術

為了實現(xiàn)貼片天線的寬帶特性,本文在抑制了所有偶數(shù)階諧振模后,額外引入了4個接地的短路針．這4個直徑為3 mm的短路針分別位于A(-m,n)、A'(-m、-n)、B(m,n)和B'(m,-n),如圖4所示．短路針可以引入一種新的諧振模式,如圖5所示.兩個饋電點將分別以相同頻率激勵起兩種不同的諧振模式,兩個諧振模的電場沿x軸對稱分布．因此,如果所提出的貼片天線由兩個饋電點同時激勵,則可實現(xiàn)新的諧振模式．應該指出的是,圖5c中所示的新諧振模式的電場分布與TM01模式的場分布相似,但其諧振頻率低于TM01模式．當所有所需模式(即新諧振模、TM01模和TM21模)均被激勵時,可通過調(diào)整短路針的位置,適當改變各模式的諧振頻率,使其相互靠近,最終,天線可以在3種諧振模式的共同作用下實現(xiàn)寬帶特性．

圖4 加載短路針的差分激勵寬帶天線 圖5 天線新諧振模式的分析

2 天線的設計

為了進一步驗證設計方法的有效性,本文設計了一種寬帶差分激勵貼片天線,天線模型的幾何結構如圖6所示．天線主要由兩塊PCB板構成,其中包含了1個金屬接地層、1個貼片輻射體和4個短路針．基板1頂部的金屬層用作接地層,而差分饋電網(wǎng)絡則蝕刻在基板1的底部,如圖6b所示．貼片輻射體位于基板2的頂部,基板2到接地層的高度為h2．2個饋電點對稱地位于貼片輻射體的2個邊緣附近,其另一端連接到饋電網(wǎng)絡的差分端口．同時,在貼片輻射體與金屬接地層之間對稱放置4個短路針．

(a) 三維視圖 (b) 側視圖

本文所設計的天線的工作頻率為3.05～4.75 GHz,此處使用的介質基板的介電常數(shù)為3.55,損耗角正切為0.0027．天線的幾何參數(shù)為:h1=0.508 mm,h2=6 mm,W1=5 mm,W2=40 mm,W3=93 mm,L1=12 mm,L2=44 mm,L3=110 mm,饋電探針和短路柱的直徑分別為1.2和3.0 mm．選擇貼片輻射體的中心作為坐標原點,饋電點位于(0,±33 mm)處．

3 結果與討論

對本文所提出的差分天線進行了加工與測試．天線加工照片如圖7所示．S參數(shù)測量采用安捷倫N5244A網(wǎng)絡分析儀,仿真和測量的散射參數(shù)如圖8所示,兩者吻合良好．從圖8中可以看出所設計的3個諧振點,該天線的相對阻抗帶寬可以達到43.6%(3.05～4.75 GHz)．

圖7 天線的實物圖片 圖8 天線反射系數(shù)的仿真與測試結果

輻射性能通過近場天線測量系統(tǒng)進行測量．圖9分別繪制了3.5，4.0和4.5 GHz頻率下測量的方向圖,并與仿真結果進行了比較．可以發(fā)現(xiàn),天線在工作頻帶的兩個主平面上具有典型的定向輻射特性．從圖9中還可以發(fā)現(xiàn),由于差分饋電方案,交叉極化水平低于-25 dB．圖10給出了天線的增益和輻射效率．該天線增益的測量結果和仿真結果具有較好的一致性,同時工作頻帶內(nèi)的輻射效率在88.0%以上．

圖9 不同頻率下的天線方向圖的仿真與測試結果

圖10 天線的增益和輻射效率

4 結論

提出了一種新型差分激勵的寬帶貼片天線．為了揭示其工作原理,給出了差分激勵的貼片天線的輻射模式分析和設計過程．為了驗證所提設計概念的可行性,設計、加工并測試了一個集成寬帶巴倫的差分驅動天線．仿真測試結果表明,該天線能夠同時激勵起3個諧振模式,實現(xiàn)了43.6%的寬阻抗帶寬,而且在工作頻帶內(nèi)具有良好的交叉極化水平．本文所提出的差分激勵貼片天線在現(xiàn)代無線通信系統(tǒng)中具有較好的應用前景．