一種2.4GHz阻抗匹配的傳輸線電小天線設計

1 引言

在無線通信設備中，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。可是，天線是被認為無線傳輸系統(tǒng)中最大的組成部分，以致縮小天線尺寸成為迫切需要[2]。

已經有很多關于為了減小電小天線尺寸， 使其遠小于一個波長的尺寸這方面的研究[3]。然而眾所周知，為了實現這種小型化的天線，同時我們必須設計一種寬帶的阻抗匹配電路，來彌補這種窄帶寬，小 天線所特有的低輻射電導率特性。我們必須用具有高內阻的半導體放大器來實現高的阻抗匹配率。因為小天線的低輻射電導率，所以它對導體電導率非常敏感，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設計的一個尺寸在一個波長的溝狀雙極天線，其達到了不錯的阻抗匹配[4-6]。為了減小整個天線的尺寸，設計了 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，我們已經設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做過實驗，天線的整個尺寸是4.1mm×3.7mm，利用高溫超導YBCO薄膜，在基于介電常數 為9.6的MgO襯底，帶寬在5.0GHz[8]。

然而幾乎沒有關于這種已經實現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計構造了一些ESAs，這些阻抗匹配電路中都有各種各樣的腰槽，同時討論了關于模擬的最大實現腰槽尺寸與S參數之間的關系。

2 具有阻抗匹配電路的電小天線的設計理論

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，分別有金屬導體損耗率，天線電納。給出的Za為，

在這些ESA例子中，因為共振頻率遠遠高于動作頻率，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聯，而且與電納補償電路緊密聯系。

圖2顯示了這種ESA仿真版圖，所設計的ESA中心頻率在2.45GHz。其基片電介常數 =4.25， =0.015.基片厚度和導帶銅厚度分別為800µm，18µm.導帶銅的電導率為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準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的返回損耗。 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 ，遠離50Ω，以致返回損耗幾乎為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連接件之間實現。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）是等效電導率與外部品質因數，Bi是品行共振器的電納，其電納浮動參數bi. 為：

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

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

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

圖6所示為輸入阻抗（ ），它是天線從B相B’端看進去的阻抗。在圖4-6（b）所示為利用CPW匹配電路的ESA1返回損耗。 為在2.45GHz時的值50-j0.3Ω，以致返回損耗在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。

為了搞清楚現實增益和小天線效率之間的聯系，用自己的設計理論我們設計構造了一些ESAs，它們都有不同的輻射增益。

圖8，圖9所示為已經實現了的增益在-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返回損耗值之間相互比較，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和標準雙極天線的照片。我們利用GP-IB控制矢量網絡分析儀來測量得到S參數(HP；HP8722C)。

3 實驗

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：實驗結果和仿真結果中天線增益的比較

4 結論和討論

圖13顯示了ESA1的回波損耗實驗結果。在圖中，虛線顯示的是EM仿真得到的回波損耗結果。圖14顯示的是利用CPW匹配電路的 ESA1，ESA2，ESA3的回波損耗結果比較。ESA2和ESA3在中心頻率的匹配實驗結果與所設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差異所引起的。

為了討論已經實現的峰值增益和S參數之間的聯系，我們通過下列等式來通過 參數值來計算實驗中天線增益。

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方向的頻率對應的天線增益實驗結果。表格1所示實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，盡管在小天線實驗裝置中存在損耗，但是實驗結果中測得的天線增益值與仿真結果測得的結果值是極其相近的。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裝配所帶來的費用。

5 結論

在這篇論文中設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率ESA匹配到放大器上。結果我們設計了一種小尺寸 （5.0mm×9.0mm）天線，而且利用CPW匹配電路設計的這種ESA已經裝配生產出來，測量了其RF特性，測量的結果很接近仿真值。因此在符合效率 的需求的前提下我們能夠設計和裝配生出各種增益的天線來。