一种感性耦合馈电的水平极化全向辐射环天线AnInductively-ANSYS

一种感性耦合馈电的水平极化全向辐射环天线

俞钰峰，代青峰，冯建杰

[中国电科第36研究所，浙江嘉兴314033]

[ 摘要] 本文设计了一种可用于2.4-GHz WLAN接入设备的感性耦合馈电的水平极化全向辐射环天线。

该天线采用周期性加载的四个交指电容使得周长约为一个波长的辐射环上的电流均匀同相，从

而得到全向水平极化的辐射特性。采用馈电小环对辐射环进行耦合馈电，使天线输入阻抗的调

节更自由，易于与50 Ω馈线匹配。同时本文对感性耦合馈电进行了分析，给出了天线的设计

思路。天线样品的测试结果表明该天线具有170 MHz的带宽(2.365 GHz-2.535 GHz)，足够覆

盖2.4-GHz WLAN 频段。该天线具有结构紧凑、设计过程简单和易于工程实现等优点。

[ 关键词]环天线；感性耦合馈电；水平极化天线；全向天线。

An Inductively- coupled Fed Loop Antenna with a Horizontally Polarized Omnidirectional Radiation Pattern

Yu Yu-feng, Feng Jian-jie, Zhang Guang-sheng

[No.36 Research Institute of CETC, Jiaxing, Zhejiang 314033, China] [ Abstract ] An inductively-coupled fed loop antenna with a horizontally polarized omnidirectional radiation pattern for 2.4-GHz WLAN access-point applications is proposed in this paper.

Four periodically loaded interdigital capacitors allows currents on the radiating loop remain

uniform and in phase, thus a horizontally polarized omnidirectional radiation pattern in the far

?eld is achieved, even though the perimeter of the radiating loop is about one operating

wavelength. A feeding loop is utilized to inductively feed the radiating loop, which makes the

tuning of the input impedance more flexible. Therefore the impedance matching to a 50 Ω

feeding line is very easy. The mechanism of inductive feed is analyzed and a brief design

procedure of the antenna is also given. The measured bandwidth of the antenna is 170 MHz

(2.365 GHz-2.535 GHz), which is totally enough to cover 2.4-GHz WLAN band. The

proposed antenna has the advantages of compact size, clear design procedure and easy

fabrication.

[ Keyword ] Loop antenna; Inductively-coupled feed; Horizontally polarized antenna; Omni-directional antenna.

1前言

全向天线在无线通信中有着重要的应用。常见的全向天线都是垂直极化的(例如偶极子天线等)，但在城市或者室内环境中，经过多径反射或者散射之后电磁波的极化往往会被改变。据报道，在收发端都使用水平极化天线的系统比收发端都使用垂直极化天线的系统可以多获得10 dB的功率[1]-[2]。此外，水平极化的天线还可以配合垂直极化天线实现极化分集，这样的天线系统可有效抵抗无线通信中由于多径效应造成的衰落，降低误码率[3]。

常见的水平极化全向天线有圆柱缝隙天线[4]、圆柱微带天线阵[5]和Alford环天线[6]-[7]等。圆柱缝隙天线是将开了竖直缝隙的导体金属片弯折成直径足够小的圆柱而成，圆柱微带阵是利用水平极化的辐射单元在水平面内组阵方式实现全向辐射，Alford环天线是通过人工构造出水平面内四段首尾相接的电流来模拟环电流来实现水平极化全向辐射。

电小尺寸的环天线具有水平极化全向辐射的特性，但是它的辐射电阻小、电抗大，阻抗匹配困难。此外，电小环天线很小的辐射电阻带来了很低的辐射效率，而高Q值导致了很窄的阻抗带宽。这些问题限制了电小环天线的实际应用。大尺寸（如周长一个波长以上）的环天线尽管有着较大的辐射电阻和较小的Q值，但是其电流分布却是不均匀的，因此也就无法实现水平面全向的辐射方向图[8]。文献[9],[10]提出了在环上均匀加载数个电容从而使得大环上的电流保持均匀同相的方法，设计了几款用于UHF频段近场RFID(无线射频识别)系统的阅读天线。在此基础上，两款设计在2.4-GHz WLAN（无线局域网）频段具有水平极化全向辐射特性的天线被设计出来[11],[12]。[11]直接用同轴线对环馈电，因此需要选取合适的环的尺寸使其输入阻抗在50 Ω附近。[12]采用了平行双线过渡对环进行馈电，平行双线起到了阻抗变换的作用。

我们已采用感性耦合馈电的方法对电小环天线进行馈电[13],[14]，使之可以在极小的电尺寸下依然可以实现与50 Ω馈线的阻抗匹配。同时天线的等效电路也被给出用于分析阻抗匹配的机理。在本文中，我们将应用感性耦合馈电的方法对加载电容的大环进行馈电，实现一款水平极化全向辐射的天线。相比于[11]和[12]中的馈电方式，本文提出的感性耦合馈电保证了辐射环的对称性，因此具有更好的全向辐射特性。此外，感性耦合馈电还具有阻抗调节方便，易于与50 Ω馈线匹配的优势。辐射环的尺寸可以根据实际需求任意调节，我们只需相应地调节馈电环的尺寸和加载电容便可调节天线的输入阻抗，因此天线的设计过程非常简单。本文中我们将给出天线的等效电路，分析其工作机理，概括设计思路。

本文提出的水平极化全向天线结构紧凑，设计过程简洁明了，易于工程实现。

2天线结构

如图1所示，本文提出的感性耦合馈电、水平极化全向天线是由分别作为馈电和辐射结构的内外两个金属环构成，两个环被印刷在一块介电常数为4.4，厚度为0.8 mm的FR4介质基底上。四个交指电容均匀加载在辐射环上，它们对环上的电流进行了相位修正，因此尽管辐射环并不是电小环，电流沿着辐射环依然可以保持均匀分布，这保证了天线全向的辐射方向图。馈电环在辐射环的内部，它的一边加载了一个交指电容，对面一边开了细缝作为馈电端口连接50 Ω馈线。。天线结构的各参数如下：辐射环的长度为L r=32 mm，环宽为W r=3.5 mm，交指电容长度为l cr=3.2 mm，交指的宽度和间隙均为g cr=0.7 mm。类似的，馈电环的相应参数为L f=13.5 mm，W f=3 mm，l cf=3.2 mm，和g cf=0.6 mm。

3天线的工作机理和参数分析

本文提出的天线中心频率设计在2.45 GHz，其辐射环的周长约为一个波长。为了得到水平面全向的方向图，四个交指电容被均匀加载到了辐射环的四条边上。这四个串联电容对环上的电流提供了相位修正，使电流在周长为一个波长的环上仍然保持几乎均匀同相的分布[11],[12]。不同于[11]中的直接馈电和[12]中的平行双线馈电，本文提出的天线采用了感性耦合馈电的方式，即通过一个小馈电环将能量耦合到辐射环上，再由辐射环进行辐射。

这种馈电方式有着阻抗调节方便，易于与50 Ω馈线匹配的优势。

为了更详细地分析天线的工作机理，图2给出了天线的电路模型。辐射环的等效电路

是R rl 、L rl 和C rl 串联后再加上一个并联电容C pr 。其中R rl 是辐射环的辐射电阻和损耗电阻的总和，L rl 是环的自电感，C rl 是由加载的交指电容带来的，它等于四个交指电容串联后的总电容，并联电容C pr 代表了环上的分布电容。馈电环也可以用类似的等效电路来描述，相应的集总参数是R fl 、L fl 、C fl 和C pf 。两环之间的感性耦合（磁耦合）可以用一个互感为M 的变压器模型来表示，它相当于一个阻抗变换器，连接馈电环和辐射环。

天线的输入阻抗是

()2in fl rl

M Z Z Z ω=+ (1) 其中Z fl 和Z rl 分别代表馈电环和辐射环的阻抗。

辐射环的自谐振频率是

r f = (2) 由于馈电环的作用仅仅是将能量耦合到辐射环上，它几乎不会改变辐射环的谐振频率，因此整个天线的工作频率f 0与辐射环的谐振频率f r 几乎是一致的，即f 0 ≈f r 。天线的工作频率完全由辐射环决定，具体地说就是辐射环的尺寸（影响L rl ）以及加载电容（影响C rl ）决定了天线的工作频率。

图2 天线的等效电路

为了验证等效电路的正确性，我们将等效电路计算得到的天线的输入阻抗Z in 与HFSS

仿真得到的结果做了对比。提取的等效电路参数见表1。 具体的提取过程可以见文献[13], 图1 天线结构

[14]。图3给出了HFSS仿真以及电路模型计算得到的天线的输入阻抗Z in，可以看到两组曲线吻合的非常好。

表1 提取出的等效电路各集总参数数值

图3 等效电路和HFSS仿真得到的天线的输入阻抗

由式(2)可知，天线的工作频率由辐射环的自电感L rl和加载的串联电容C rl决定。辐射环的自电感L rl主要取决于环的尺寸，即图1中的L r，加载的串联电容C rl取决于交指电容的长度L cr和缝宽g，天线工作频率的调节主要通过调节以上三个参数完成。例如当其他参数不变而L cr增大时，串联电容C rl增大，因此天线的工作频率降低，图4给出了当L cr=2.2 mm, 3.2 mm, 4.2 mm时天线的|S11|，可以看到天线的工作频率的确是随L cr的增大而降低的。

由式(1)可知，天线的输入阻抗由馈电环和辐射环的自阻抗以及两环之间的互感M决定。当辐射环的结构尺寸确定之后，我们只需调节馈电环的尺寸和加载的交指电容便可实现天线与50 Ω馈线的阻抗匹配。图5给出的是天线的输入阻抗和反射系数随馈电环上加载的交指电容的长度l cf变化的关系。可以看到当l cf变大时，一方面输入电阻(R in)与电抗(X in)的谐振峰的振幅均增大，另一方面输入电抗(X in)也会变大（在图5 (a)中表现为整条曲线上移，趋近于0）。这是由于L cf变大时馈电环加载的交指电容C fl变大，因此馈电环自电抗X fl变大，由式(1)可知X in变大。同时，C fl变大后馈电环上电流增大，辐射与馈电环之间的耦合增强，因此两环间的互感M增大，由式(1)可知R in和X in的谐振峰的振幅会变大。在图5 (b)中可以看到，当l cf=3.2 mm时天线具有最优的匹配，因此L cf是调节天线匹配的重要参数。类似地，馈电环的尺寸L fl也会影响馈电环的自电抗X fl和两环间的互感M，因此在实际的设计中L fl和l cf一样也可以用于调节天线的阻抗。一般说来调节这两个参数足以保证天线与50 Ω馈线的匹配。值得一提的是，这种感性耦合馈电的方法对于阻抗的调节非常灵活方便，并不局限于使天线与50 Ω馈线的匹配。例如，若应用于RFID标签天线，本文提出

的感性耦合馈电的方法可以很容易将输入阻抗调节到(11+ j143) Ω以实现与Monza 4芯片的匹配。

图4 天线的反射系数随辐射环上的交指电容长度L cr变化关系

天线的设计流程概括如下：

(1) 根据实际需求将辐射环调至所需的谐振频率。仿真中可直接对辐射环馈电而不考虑

阻抗匹配，可供调节的参数主要是辐射环的长度L r，交指电容的长度l cr和间距g r等。

(2) 调节馈电环的长度L f，交指电容的长度l cr和间距g f等使天线实现与50 Ω馈线的阻

抗匹配。

(3) 对各参数进行微调以得到最优化的结果。

可以看到，以上设计流程思路清晰，简单明了，易于实现。

(a) (b)

图5天线的(a)反射系数，(b)输入阻抗随馈电环上的交指电容长度l cf的变化关系

4仿真、测试结果及分析

我们加工了天线样品并对其进行了测试。测试中我们用一根同轴线的内外导体分别连接到馈电环上馈电端口的两侧对天线进行馈电。同轴线上还套了一个磁环以减小流到同轴线外皮上的电流对测试结果的影响。

图6给出了天线反射系数的仿真和测试结果，可以看到二者吻合的非常好。测试的天线的阻抗带宽(|S11|≤-10 dB)是170 MHz (2.365 GHz-2.535 GHz)，以2.45 GHz为中心频率，相对带宽为6.94%。此带宽足够覆盖2.4-GHz WLAN频段。

图6 天线仿真和测试的反射系数

图7给出了天线在2.45 GHz的仿真和测试的远场方向图，其中的主极化是水平极化，交叉极化是垂直极化。可以看到天线在水平(x-y)面上表现出很好的水平极化全向辐射方向图，而在垂直(x-z)面上则是“8”字型的方向图，这与磁偶极子的方向图非常类似。天线在水平面上测试和仿真的平均增益为0.11 dB和1.3 dB。测试增益比仿真增益略低，这可能由测试中套在馈电电缆上的磁环导致的，测试误差也是可能的原因之一。此外，水平面上不圆度的测试和仿真结果分别为2.01 dB和1.93 dB，并且垂直面“8”型的方向图并不完全对称，这是由天线馈电环的不对称导致的。未来可以通过增加馈电环上加载电容的个数使得馈电环上电流更均匀来解决这个问题。垂直面方向图的测试结果略有不平坦，这主要是由测试中的夹具带来的。在工作频段内天线方向图的稳定性保持的非常好，因此这里我们仅给出了中心频率的方向图作为代表。

(a) (b)

图7 仿真和测试的天线在2.45 GHz的增益方向图：(a)x-y面，(b)x-z面

5结论

本文设计了一款水平极化全向辐射的环天线。该天线由印刷在一块FR4介质板上的辐射环和馈电环组成。辐射环上均匀加载四个交指电容保证了环上均匀同相的电流，从而使得周长为一个波长的辐射环可以得到水平极化全向辐射的方向图。馈电环通过感性耦合到将能量传送到辐射环上，这样的馈电方式增大了阻抗调节的自由度，使天线与50 Ω馈线的匹配阻抗变得非常容易。测试的天线的阻抗带宽(|S11|≤-10 dB)为170 MHz (2.365 GHz-2.535 GHz)，水平面增益为0.11 dB。该天线非常适用于2.4-GHz WLAN 接入设备的使用。

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