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[導(dǎo)讀]摘 要:基于六邊形開(kāi)口諧振環(huán)對(duì)結(jié)構(gòu)的奇異電磁特性,設(shè)計(jì)了一款小型多頻段微帶天線,并使用電磁仿真軟件HFSS就六邊形開(kāi)口諧振環(huán)對(duì)微帶天線電性能的影響進(jìn)行了數(shù)值分析。仿真和實(shí)測(cè)結(jié)果表明,加載六邊形開(kāi)口諧振環(huán)后天線在高頻段增加了一個(gè)頻段, 同時(shí)也減小了天線的體積。

0 引 言

多頻段天線在現(xiàn)代無(wú)線通信系統(tǒng)中占據(jù)重要位置。但是又面臨著小型化、低剖面、低成本、阻抗匹配和射頻電路集成的挑戰(zhàn)。因此在單一系統(tǒng)中有必要使用多種通信標(biāo)準(zhǔn)。為了在一個(gè)便攜式的天線系統(tǒng)中集成多個(gè)通信標(biāo)準(zhǔn),各種雙頻、多頻、寬帶和超寬帶天線應(yīng)運(yùn)而生。但為了預(yù)防附近的通信系統(tǒng)干擾,多頻帶天線比超寬帶天線更適合。通常多頻段諧振模式可以通過(guò)把輻射貼片或地板設(shè)計(jì)成多支節(jié)狀抑或在其上加載縫隙。但分形概念和陷波方法的使用往往限制了天線的應(yīng)用,因?yàn)檫@兩種方法會(huì)增加天線的復(fù)雜度和體積。在現(xiàn)代無(wú)線技術(shù)中可重構(gòu)天線的出現(xiàn)產(chǎn)生了重大意義,這些天線可以動(dòng)態(tài)調(diào)整各種參數(shù),同時(shí)還能保持相似的輻射特性、小體積和低成本 [1]。一個(gè)小型的頻率可重構(gòu)的多頻帶天線才能符合現(xiàn)代無(wú)線通信的需求。近年來(lái),超材料常用于實(shí)現(xiàn)天線的小型化。文獻(xiàn) [2-5] 中超材料天線主要致力于小型化、優(yōu)化輻射特性、優(yōu)化帶寬和提高增益。文獻(xiàn) [6]中為單極子天線加載了開(kāi)口諧振環(huán)(SRR),文獻(xiàn) [7] 與文獻(xiàn) [8] 是在介質(zhì)中加載了開(kāi)口諧振環(huán)和互補(bǔ)開(kāi)口諧振環(huán),這些都是超材料在天線設(shè)計(jì)中的應(yīng)用。

本文在輻射單元和地板上分別加載了矩形SRR 環(huán)和六邊形SRR 環(huán)。相較于諧振波長(zhǎng),使用了小型 SRR 環(huán)后天線變得更緊湊。天線覆蓋了 2.94 3.13 GHz,3.55 4.06 GHz,6.699.28 GHz 三個(gè)頻段。

1 天線設(shè)計(jì)

本文中的天線采用環(huán)氧樹(shù)脂(FR4)作為介質(zhì)基板,介電常數(shù)為 4.4,厚度為 1.6 毫米,損耗正切為 0.02。天線的大小為 26(L)mm 22(W )mm。天線結(jié)構(gòu)如圖 1 所示,天線包括一個(gè)梯形的單極子輻射單元,F(xiàn)w Fl的饋線和地板(Wlg)。梯形單元上方加載了一個(gè)矩形的開(kāi)口諧振環(huán),在地板上加載了兩 個(gè)六邊形的開(kāi)口諧振環(huán)。

小型的多頻段超材料微帶天線

小型的多頻段超材料微帶天線

2 仿真和測(cè)試結(jié)果

本次仿真使用了Ansoft HFSS V13.0 版本。圖 3 所示為仿真結(jié)果和測(cè)試結(jié)果,可以從圖中看出天線有三個(gè)頻段,分別為2.94 3.13 GHz,3.55 4.06 GHz,6.69 9.28 GHz。測(cè)試結(jié) 果相比較仿真結(jié)構(gòu),可以看出在低頻段誤差較小,在高頻段 誤差較大,造成這種現(xiàn)象的原因如下:


(1)天線加工廠家提供的 FR4 板材的介電常數(shù)不能準(zhǔn)確達(dá)到 4.4,從而造成了誤差 ;
(2)在高頻時(shí),對(duì)于尺寸比較敏感,天線的加工和焊接造成了誤差。
小型的多頻段超材料微帶天線


小型的多頻段超材料微帶天線


從圖 4 中可以看出天線地板沒(méi)有加載六邊形 SRR 時(shí)只有 兩個(gè)頻段,而加載了六邊形 SRR 后天線拓展了高頻段并且低 頻的兩個(gè)頻帶向左偏移了一點(diǎn),表明加載了六邊形 SRR 也可以 降低天線尺寸。圖 5 所示為天線在 3 GHz,3.8 GHz 和 7 GHz 的 E 面和 H 面的方向圖。 

3 結(jié) 語(yǔ)

利用六邊形 SRR 設(shè)計(jì)了一款多頻帶的天線,由仿真結(jié)果 和測(cè)試結(jié)果可以看出,加載 SRR 結(jié)構(gòu)可以增加天線的頻帶, 同時(shí)也可以縮小天線的體積。本文中的天線擁有多個(gè)頻段,可 以滿足多種用途。


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