一種2.4GHz阻抗匹配的傳輸線電小天線設(shè)計

1 引言

在無線通信設(shè)備中，將整個傳輸收發(fā)裝置集成在同一塊芯片上是未來像MIMO，PDC，無線LAN和RFID系統(tǒng)的趨勢[1]，這種尺寸縮小，造價降低將獲得利益?？墒?，天線是被認(rèn)為無線傳輸系統(tǒng)中最大的組成部分，以致縮小天線尺寸成為迫切需要[2]。

已經(jīng)有很多關(guān)于為了減小電小天線尺寸， 使其遠(yuǎn)小于一個波長的尺寸這方面的研究[3]。然而眾所周知，為了實(shí)現(xiàn)這種小型化的天線，同時我們必須設(shè)計一種寬帶的阻抗匹配電路，來彌補(bǔ)這種窄帶寬，小 天線所特有的低輻射電導(dǎo)率特性。我們必須用具有高內(nèi)阻的半導(dǎo)體放大器來實(shí)現(xiàn)高的阻抗匹配率。因為小天線的低輻射電導(dǎo)率，所以它對導(dǎo)體電導(dǎo)率非常敏感，于是 減小輻射影響成為主要問題。

在我們先前的工作中，我們利用共面帶線波導(dǎo)設(shè)計的一個尺寸在一個波長的溝狀雙極天線，其達(dá)到了不錯的阻抗匹配[4-6]。為了減小整個天線的尺寸，設(shè)計了 一種溝槽環(huán)路天線，其尺寸只有半個波長。它用匹配電路相互連接集成在一個低噪聲放大器中[7]。甚至，我們已經(jīng)設(shè)計出了一種比一個波長小的多的尺寸的溝狀 雙極天線，用帶有兩極帶通濾波器的溝狀雙極天線上我們已經(jīng)做過實(shí)驗，天線的整個尺寸是4.1mm×3.7mm，利用高溫超導(dǎo)YBCO薄膜，在基于介電常數(shù) 為9.6的MgO襯底，帶寬在5.0GHz[8]。

然而幾乎沒有關(guān)于這種已經(jīng)實(shí)現(xiàn)的腰槽或者小天線效率的報告。

在這篇論文中，我們利用阻抗匹配電路設(shè)計構(gòu)造了一些ESAs，這些阻抗匹配電路中都有各種各樣的腰槽，同時討論了關(guān)于模擬的最大實(shí)現(xiàn)腰槽尺寸與S參數(shù)之間的關(guān)系。

2 具有阻抗匹配電路的電小天線的設(shè)計理論

圖1中顯示了電小天線（ESA）的等效電路模型。在圖中，Grad，Gl，和Ba是輻射電導(dǎo)，分別有金屬導(dǎo)體損耗率，天線電納。給出的Za為，

在這些ESA例子中，因為共振頻率遠(yuǎn)遠(yuǎn)高于動作頻率，這些類型的天線并不能像正常天線一樣工作，它不僅僅須要與阻抗匹配電路相關(guān)聯(lián)，而且與電納補(bǔ)償電路緊密聯(lián)系。

圖2顯示了這種ESA仿真版圖，所設(shè)計的ESA中心頻率在2.45GHz。其基片電介常數(shù) =4.25， =0.015.基片厚度和導(dǎo)帶銅厚度分別為800µm，18µm.導(dǎo)帶銅的電導(dǎo)率為5.8× G/m.三維EM仿真起模擬其電磁特性。天線的尺寸為0.05 和0.06 ， 為真空中2.45GHz的波長長度。這種天線的尺寸比標(biāo)準(zhǔn)的雙極溝狀天線的尺寸要小的多。圖3（a）和（b）中 和沒有匹配下的ESA的返回?fù)p耗。 顯示輻射電阻和金屬損耗情況，Xa是天線的電抗。在2.45GHz下Za為 ，遠(yuǎn)離50Ω，以致返回?fù)p耗幾乎為0dB，如圖3（b）顯示，在沒有匹配的情況下幾乎返回了所有的RF信號。

為了聯(lián)系ESA與前端RF，阻抗匹配必須在天線和放大器或者50Ω連接件之間實(shí)現(xiàn)。一種基于帶通濾波器的阻抗匹配電路[9]。圖4顯示一種n=1BPF的等效電路模型，在圖中 ， ， （i=1,2）是等效電導(dǎo)率與外部品質(zhì)因數(shù)，Bi是品行共振器的電納，其電納浮動參數(shù)bi. 為：

在圖4（b）中，Y’為從A相A’看天線的輸入電導(dǎo)， 為從A相A’看放大器的輸入電導(dǎo)，如下所示：、

因為圖4（a）和（c）是在中心頻率的同種電路，合適的設(shè)計值 ， ， 和Cm能夠從對比等式（3），（4）的實(shí)部和虛部中得到。

圖5所示為用CPW匹配電路的ESA的版圖。為了實(shí)現(xiàn) 和Cm，我們采用指狀組合型縫隙結(jié)構(gòu)和CPW（共面帶線）傳輸線， 假定為 =50Ω在實(shí)驗中較為和適。

圖6所示為輸入阻抗（ ），它是天線從B相B’端看進(jìn)去的阻抗。在圖4-6（b）所示為利用CPW匹配電路的ESA1返回?fù)p耗。 為在2.45GHz時的值50-j0.3Ω，以致返回?fù)p耗在2.45GHz為-28dB。圖7中所示為利用CPW匹配電路的ESA的仿真輻射方向圖。

為了搞清楚現(xiàn)實(shí)增益和小天線效率之間的聯(lián)系，用自己的設(shè)計理論我們設(shè)計構(gòu)造了一些ESAs，它們都有不同的輻射增益。

圖8，圖9所示為已經(jīng)實(shí)現(xiàn)了的增益在-2.5dB(ESA2)和-0.62dB（ESA3）的ESAs的版圖[10]，它們的基片物理特性和ESA1是一樣的。

圖10所示分別為利用CPW匹配電路的ESA1，ESA2，ESA3返回?fù)p耗值之間相互比較，它們的中心頻率都在2.45GHz左右。

圖11所示為利用PCW匹配電路的ESA1照片。在圖中，趾間的差距也被顯示出來。RF信號通過具有50Ω特性阻抗的MMCX連接器輸入。圖12所示為ESA1,ESA2,ESA3和標(biāo)準(zhǔn)雙極天線的照片。我們利用GP-IB控制矢量網(wǎng)絡(luò)分析儀來測量得到S參數(shù)(HP；HP8722C)。

3 實(shí)驗

ESAs被焊接在利用印刷板作為基片的FR4上（MITS；FP-21T model40），銑刀切割直徑為100mm。
表格1：實(shí)驗結(jié)果和仿真結(jié)果中天線增益的比較

4 結(jié)論和討論

圖13顯示了ESA1的回波損耗實(shí)驗結(jié)果。在圖中，虛線顯示的是EM仿真得到的回波損耗結(jié)果。圖14顯示的是利用CPW匹配電路的 ESA1，ESA2，ESA3的回波損耗結(jié)果比較。ESA2和ESA3在中心頻率的匹配實(shí)驗結(jié)果與所設(shè)計的值會有輕微的出入，這是因為焊接連接處的殘余損 耗和基片的介電常數(shù)差異所引起的。

為了討論已經(jīng)實(shí)現(xiàn)的峰值增益和S參數(shù)之間的聯(lián)系，我們通過下列等式來通過 參數(shù)值來計算實(shí)驗中天線增益。

在等式5中，發(fā)射和接受功率分別為 和 ，發(fā)射和接受天線增益分別為 和 ，d是發(fā)射和接受天線之間的距離。圖15所示為ESAs在Z方向的頻率對應(yīng)的天線增益實(shí)驗結(jié)果。表格1所示實(shí)驗測得天線增益與仿真天線增益之間的比較值。

通過表格1知道，盡管在小天線實(shí)驗裝置中存在損耗，但是實(shí)驗結(jié)果中測得的天線增益值與仿真結(jié)果測得的結(jié)果值是極其相近的。我們可以利用商業(yè)3D-EM仿真 軟件對阻抗匹配的ESA天線增益進(jìn)行很好的估計。一種倒F天線（尺寸：23×3.7mm）有很寬的帶寬，但是需要很大的接地平板（尺 寸：46.7×88.8mm）[11]。一種折疊雙極振子天線（尺寸：16.8×54mm）有很寬的帶寬，但是需要片形電容器和二極管[12]。所以和適 的天線需要考慮天線的尺寸和生產(chǎn)裝配所帶來的費(fèi)用。

5 結(jié)論

在這篇論文中設(shè)計了一種基于阻抗匹配傳輸線的電小溝型天線。我們成功的將這種小輻射電導(dǎo)率ESA匹配到放大器上。結(jié)果我們設(shè)計了一種小尺寸 （5.0mm×9.0mm）天線，而且利用CPW匹配電路設(shè)計的這種ESA已經(jīng)裝配生產(chǎn)出來，測量了其RF特性，測量的結(jié)果很接近仿真值。因此在符合效率 的需求的前提下我們能夠設(shè)計和裝配生出各種增益的天線來。