基于一种2.4GHz阻抗匹配的传输线电小天线

摘要：我们在薄的印制电路板上，用阻抗匹配方法设计了一种电小天线Electrically small antenna（ESA）。利用状组合型沟道和传输线（共面带线波导）已经实现了这种匹配电路。用这种新的阻抗匹配电路，可以使整个天线小到一个波长的尺寸。与此同时，我们用不同腰槽形状阻抗匹配电路设计了一些ESAs，并且讨论了最大腰槽尺寸与S参数之间的联系。同时我们精心组合且测量了这些ESAs的尺寸，比较分析了S参数实验结果与模拟的腰槽形状之间的联系。
 
1 引言

      在无线通信设备中，将整个传输收发装置集成在同一块芯片上是未来像MIMO，PDC，无线LAN和RFID系统的趋势[1]，这种尺寸缩小，造价降低将获得利益。可是，天线是被认为无线传输系统中最大的组成部分，以致缩小天线尺寸成为迫切需要[2]。
      已经有很多关于为了减小电小天线尺寸， 使其远小于一个波长的尺寸这方面的研究[3]。然而众所周知，为了实现这种小型化的天线，同时我们必须设计一种宽带的阻抗匹配电路，来弥补这种窄带宽，小天线所特有的低辐射电导率特性。我们必须用具有高内阻的半导体放大器来实现高的阻抗匹配率。因为小天线的低辐射电导率，所以它对导体电导率非常敏感，于是减小辐射影响成为主要问题。
      在我们先前的工作中，我们利用共面带线波导设计的一个尺寸在一个波长的沟状双极天线，其达到了不错的阻抗匹配[4-6]。为了减小整个天线的尺寸，设计了一种沟槽环路天线，其尺寸只有半个波长。它用匹配电路相互连接集成在一个低噪声放大器中[7]。甚至，我们已经设计出了一种比一个波长小的多的尺寸的沟状双极天线，用带有两极带通滤波器的沟状双极天线上我们已经做过实验，天线的整个尺寸是4.1mm×3.7mm，利用高温超导YBCO薄膜，在基于介电常数为9.6的MgO衬底，带宽在5.0GHz[8]。
      然而几乎没有关于这种已经实现的腰槽或者小天线效率的报告。
      在这篇论文中，我们利用阻抗匹配电路设计构造了一些ESAs，这些阻抗匹配电路中都有各种各样的腰槽，同时讨论了关于模拟的最大实现腰槽尺寸与S参数之间的关系。

2  具有阻抗匹配电路的电小天线的设计理论

      图1中显示了电小天线（ESA）的等效电路模型。在图中，Grad，Gl，和Ba是辐射电导，分别有金属导体损耗率，天线电纳。给出的Za为，

在这些ESA例子中，因为共振频率远远高于动作频率，这些类型的天线并不能像正常天线一样工作，它不仅仅须要与阻抗匹配电路相关联，而且与电纳补偿电路紧密联系。
  图2显示了这种ESA仿真版图，所设计的ESA中心频率在2.45GHz。其基片电介常数 =4.25， =0.015.基片厚度和导带铜厚度分别为800µm，18µm.导带铜的电导率为5.8× G/m.三维EM仿真起模拟其电磁特性。天线的尺寸为0.05 和0.06 ， 为真空中2.45GHz的波长长度。这种天线的尺寸比标准的双极沟状天线的尺寸要小的多。图3（a）和（b）中 和没有匹配下的ESA的返回损耗。 显示辐射电阻和金属损耗情况，Xa是天线的电抗。在2.45GHz下Za为 ，远离50Ω，以致返回损耗几乎为0dB，如图3（b）显示，在没有匹配的情况下几乎返回了所有的RF信号。
   为了联系ESA与前端RF，阻抗匹配必须在天线和放大器或者50Ω连接件之间实现。一种基于带通滤波器的阻抗匹配电路[9]。图4显示一种n=1BPF的等效电路模型，在图中 ， ， （i=1,2）是等效电导率与外部品质因数，Bi是品行共振器的电纳，其电纳浮动参数bi. 为：                                （2）



 
在图4（b）中，Y’为从A相A’看天线的输入电导， 为从A相A’看放大器的输入电导，如下所示：
   因为图4（a）和（c）是在中心频率的同种电路，合适的设计值 ， ， 和Cm能够从对比等式（3），（4）的实部和虚部中得到。
   图5所示为用CPW匹配电路的ESA的版图。为了实现 和Cm，我们采用指状组合型缝隙结构和CPW（共面带线）传输线， 假定为 =50Ω在实验中较为和适。
   图6所示为输入阻抗（ ），它是天线从B相B’端看进去的阻抗。在图4-6（b）所示为利用CPW匹配电路的ESA1返回损耗。 为在2.45GHz时的值50-j0.3Ω，以致返回损耗在2.45GHz为-28dB。图7中所示为利用CPW匹配电路的ESA的仿真辐射方向图。
   为了搞清楚现实增益和小天线效率之间的联系，用自己的设计理论我们设计构造了一些ESAs，它们都有不同的辐射增益。
   图8，图9所示为已经实现了的增益在-2.5dB(ESA2)和-0.62dB（ESA3）的ESAs的版图[10]，它们的基片物理特性和ESA1是一样的。
   图10所示分别为利用CPW匹配电路的ESA1，ESA2，ESA3返回损耗值之间相互比较，它们的中心频率都在2.45GHz左右。
图11所示为利用PCW匹配电路的ESA1照片。在图中，趾间的差距也被显示出来。RF信号通过具有50Ω特性阻抗的MMCX连接器输入。图12所示为ESA1,ESA2,ESA3和标准双极天线的照片。我们利用GP-IB控制矢量网络分析仪来测量得到S参数(HP；HP8722C)。