一种差分激励新型宽带贴片天线的设计与实现
时间：2023-04-17 13:00:05 来源：柠檬阅读网 本文已影响 人 
徐新元, 王建朋
(南京理工大学 电子工程与光电技术学院, 江苏 南京 210094)
微带贴片天线(Microstrip patch antenna, MPA)具有重量轻、体积小、结构紧凑、制造成本相对较低等优点,因此在现代无线通信系统中得到了广泛的应用[1-3]．另一方面,考虑到无线通信系统正面临日益严重的环境噪声和电磁干扰问题,系统中电路所采用的常规单端信号工作方式不能解决上述问题,迫切需要发展基于差分信号工作方式的新型电路和器件．
近年来,差分信号工作方式下无线通信系统和器件的创新研究得到了广泛的关注[4-5]，包括研制新型的差分微带天线以及宽带差分微带天线[6-12]．如：通过引入U形槽或H形槽的方式,提出的贴片天线的阻抗带宽可以达到30%以上[9-10]；
基于一对折叠平行板提出了一种差分馈电形式的宽带贴片天线[11]；
通过在微带天线中加载短路柱引入了一个新的谐振模式,有效地拓展了工作带宽[12]．然而,这些宽带技术有一个共同的特点,即只有主谐振模式在工作．对于微带贴片天线,其奇阶谐振模(如：TM01、TM21、TM03等)具有相似的端射辐射特性，如果多个奇数阶谐振模被同时激励并且其工作频率经过调试可以相互靠近,用此方法将可以设计出一种新型的宽带微带贴片天线．
本文基于单个矩形贴片谐振器的多谐振模式特性,提出一种差分激励新型宽带贴片天线．通过引入差分馈电方案,可以在激励奇数阶谐振模式的同时,抑制所有不需要的偶数阶谐振模式(如TM02、TM12等)．在贴片上加载4个短路针额外引入了一个新的奇数阶谐振模式,适当调整短路针的位置,使前3个奇数阶谐振模式可以彼此接近,设计出一种具有3个谐振模式的宽带差分激励贴片天线．
1.1 差分激励贴片天线的谐振模式分析
首先,我们对一个单端馈电的矩形贴片天线进行分析,天线沿x轴的宽边长为2a,沿y轴的长边长为2b,如图1a所示．贴片天线在相对介电常数为εr、厚度为h的介质基板上蚀刻而成,其前3个奇数阶谐振模(即TM01、TM21和TM03模)和第1个偶数阶谐振模(即TM02模),沿长边的电场分布如图1b所示．正如我们所看到的,这些模式的电场分布显示出沿y轴的驻波模式的特性．具体来说,在xoz平面上,奇数阶模式形成理想电壁(E.W.)边界条件,而偶数阶模式则形成理想磁壁(M.W.)边界条件．
(a) 结构模型 (b) TM01、TM02、TM21和TM03谐振模式的电场分布
因此,如果矩形贴片天线在(x1,y1)和(x2,y2)这两个相对于x轴的对称点处进行差分激励,如图2所示,那么在贴片天线两个馈电点之间始终会产生一个虚拟电壁．综上,根据边界条件的唯一性定理,差分馈电方案可以抑制贴片天线所不需要的偶数阶谐振模式,同时基本上保持原有的奇数阶谐振模式不变．
为了验证这一理论,本文设计了一种贴片天线原型,其参数如下:a=25 mm、b=25 mm、h=4 mm和εr=1,馈电点的位置分别位于(x1,y1)=(0,-24)和(x2,y2)=(0,24),两个馈电点的激励信号为等幅反相的差分信号．与此同时,本文还设计了一款尺寸、介质基板、厚度以及高度完全相同的单端馈电参考贴片天线来了进行比较分析．图3显示了差分馈电天线与单端馈电天线的前3个谐振模式仿真结果．两个天线都利用电磁仿真软件HFSS (High Frequency Structure Simulator, HFSS)进行建模．可以看出,差分激励时,偶数阶谐振模式(即TM02模式)可以被有效抑制．另一方面,奇数阶模式(即TM01和TM21模式)几乎不会受到影响．此外,差分激励天线的奇数阶谐振模的频率与参考天线对应的谐振模式的频率几乎相同．因此,差分激励技术可以用于设计具有多种谐振模式的宽带贴片天线．
图2 差分激励贴片天线的结构 图3 矩形贴片天线中偶数阶谐振模的抑制
1.2 带宽增强技术
为了实现贴片天线的宽带特性,本文在抑制了所有偶数阶谐振模后,额外引入了4个接地的短路针．这4个直径为3 mm的短路针分别位于A(-m,n)、A"(-m、-n)、B(m,n)和B"(m,-n),如图4所示．短路针可以引入一种新的谐振模式,如图5所示.两个馈电点将分别以相同频率激励起两种不同的谐振模式,两个谐振模的电场沿x轴对称分布．因此,如果所提出的贴片天线由两个馈电点同时激励,则可实现新的谐振模式．应该指出的是,图5c中所示的新谐振模式的电场分布与TM01模式的场分布相似,但其谐振频率低于TM01模式．当所有所需模式(即新谐振模、TM01模和TM21模)均被激励时,可通过调整短路针的位置,适当改变各模式的谐振频率,使其相互靠近,最终,天线可以在3种谐振模式的共同作用下实现宽带特性．
图4 加载短路针的差分激励宽带天线 图5 天线新谐振模式的分析
为了进一步验证设计方法的有效性,本文设计了一种宽带差分激励贴片天线,天线模型的几何结构如图6所示．天线主要由两块PCB板构成,其中包含了1个金属接地层、1个贴片辐射体和4个短路针．基板1顶部的金属层用作接地层,而差分馈电网络则蚀刻在基板1的底部,如图6b所示．贴片辐射体位于基板2的顶部,基板2到接地层的高度为h2．2个馈电点对称地位于贴片辐射体的2个边缘附近,其另一端连接到馈电网络的差分端口．同时,在贴片辐射体与金属接地层之间对称放置4个短路针．
(a) 三维视图 (b) 侧视图
本文所设计的天线的工作频率为3.05～4.75 GHz,此处使用的介质基板的介电常数为3.55,损耗角正切为0.0027．天线的几何参数为: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,馈电探针和短路柱的直径分别为1.2和3.0 mm．选择贴片辐射体的中心作为坐标原点,馈电点位于(0,±33 mm)处．
对本文所提出的差分天线进行了加工与测试．天线加工照片如图7所示．S参数测量采用安捷伦N5244A网络分析仪,仿真和测量的散射参数如图8所示,两者吻合良好．从图8中可以看出所设计的3个谐振点,该天线的相对阻抗带宽可以达到43.6%(3.05～4.75 GHz)．
图7 天线的实物图片 图8 天线反射系数的仿真与测试结果
辐射性能通过近场天线测量系统进行测量．图9分别绘制了3.5，4.0和4.5 GHz频率下测量的方向图,并与仿真结果进行了比较．可以发现,天线在工作频带的两个主平面上具有典型的定向辐射特性．从图9中还可以发现,由于差分馈电方案,交叉极化水平低于-25 dB．图10给出了天线的增益和辐射效率．该天线增益的测量结果和仿真结果具有较好的一致性,同时工作频带内的辐射效率在88.0%以上．
图9 不同频率下的天线方向图的仿真与测试结果
图10 天线的增益和辐射效率
提出了一种新型差分激励的宽带贴片天线．为了揭示其工作原理,给出了差分激励的贴片天线的辐射模式分析和设计过程．为了验证所提设计概念的可行性,设计、加工并测试了一个集成宽带巴伦的差分驱动天线．仿真测试结果表明,该天线能够同时激励起3个谐振模式,实现了43.6%的宽阻抗带宽,而且在工作频带内具有良好的交叉极化水平．本文所提出的差分激励贴片天线在现代无线通信系统中具有较好的应用前景．
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