- 天線建模與結構參數(shù)分析
- 天線實際測試結果
彎折線結構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用和特性要求，提出了多種改進結構，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。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行了分析，最后得到一種頻帶覆蓋IEEE802．11b／g(2．4～2．484GHz)和IEEE802．11a(5．15～5．35GHz，5．725～5．825GHz)的雙頻天線，能夠滿足WLAN應用。
1天線建模與結構參數(shù)分析
非均勻彎折線的單極子天線結構如圖1所示。基板選用Rogers4350B基板，厚度為0．762mm，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50Ω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節(jié)作用。
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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=58mm，L=38mm，LG=17mm，HB=3mm，S1=S2=S3=1mm，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=58mm，L=38mm，LG=17mm，HB=3mm，Sl=S2=S3=1mm，L1=L2=L3=5mm。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的變化較為復雜。
圖3(a)顯示了當W2=1mm時，天線f2／f1隨著W1的變化情況?？梢钥闯?，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=1mm時，天線f2／f1隨W1的變化情況?？梢钥闯觯S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。[page]
圖3(c)顯示了W1=2mm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=2mm時，天線f2／f1隨W2的變化情況?？梢钥闯?，在W1較小時，f2／f1先是呈現(xiàn)減小趨勢；而后，當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=1mm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=1mm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??；隨著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5mm，7mm，9mm，11mm和13mm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7mm，9mm，11mm，13mm和15mm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LB的取值小于9mm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離。
圖4(c)顯示了耦合貼片距接地板高度(HB)分別為1mm，2mm，3mm，4mm和5mm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。當耦合貼片距接地板高度為2～3m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上，改善第二諧振模式的匹配特性，并擴展阻抗帶寬。
2天線實際測試結果
在綜合考慮阻抗帶寬和輻射特性的基礎上，得到了以下的最優(yōu)化天線幾何參數(shù)，其中L=29mm，L1=6mm，L2=6mm，L3=6．5mm，W1=3mm，W2=1mm，W3=2．5mm，S1=S2=S3=1mm，LB=11mm，WB=9mm，WG=26mm，HB=3mm，LG=7mm，LMS=10mm。天線實物如圖5所示。[page]
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，仿真結果與實際測試結果比較吻合。低頻段測得的阻抗帶寬(S1-1<-10dB)約為O．5GHz(2．2～2．7GHz)；高頻段實際測得的阻抗帶寬(S11<-10dB)約為1．8GHz(4．48～6．28GHz)。圖7(a)～(c)分別示出了非均勻彎折線單極子天線在2．442GHz，5．25GHz和5．775GHz時的增益圖，增益分別為0．7dBi，1．65dBi和2．3dBi。
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)的幾何尺寸來調節(jié)彎折線天線中第一和第二諧振頻率的相對位置，達到雙頻可調的目的；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，最后設計出一種頻帶覆蓋IEEE802．11b／g(2．4～2．48GHz)和IEEE802．11a(5.15～5.35GHz，5．725～5．825GHz)的雙頻彎折線單極子天線，在2．442GHz，5．25GHz和5．775GHz的增益分別為0．7dBi，1．65dBi和2．3dBi，能夠滿足WLAN應用。
