多分支平面印刷天線的設計

萬小鳳，鄭宏興，張玉賢

（天津職業(yè)技術師范大學天線與微波技術研究所，天津 300222）

多分支平面印刷天線的設計

萬小鳳，鄭宏興，張玉賢

（天津職業(yè)技術師范大學天線與微波技術研究所，天津 300222）

設計了一種多分支平面印刷天線，采用微帶線饋電方式，其中微帶線設計成T形與輻射單元相互匹配，輻射單元由三個L形的金屬面結構構成，其分別工作在2.4 GHz、3.5 GHz和5.4 GHz，可應用于無線局域網(wǎng)（WLAN）和全球微波互聯(lián)接（WiMAX）系統(tǒng)。通過電磁仿真軟件HFSS對這種天線進行設計，在WLAN應用頻段上10dB阻抗帶寬分別約為1 GHz（4.9-5.9 GHz）和310 MHz（2.24-2.55 GHz）；在WiMAX應用頻段上10 dB阻抗帶寬380 MHz（3.3-3.68 GHz）。實測結果表明，這種天線具有良好的遠場輻射特性，其增益在2.5-4.7 dBi之間。

多分支單元；印刷天線；小型化

隨著通信技術的快速發(fā)展，無線系統(tǒng)對天線的小型化和寬頻帶的要求越來越高。無線局域網(wǎng)（WLAN）和全球微波互聯(lián)接入（WiMAX）的迅速發(fā)展，不僅要求天線滿足小型化和寬頻帶，還必須具有多頻特性。WLAN主要工作頻率范圍分別為2.4-2.485 GHz、5.15-5.35 GHz和5.725-5.825 GHz，WiMAX主要工作頻率范圍分別為2.5-2.69 GHz、3.4-3.69 GHz和5.25-5.85GHz[1]。微帶天線具有低剖面、體積小、低成本和易集成等優(yōu)勢，能夠在很大程度上滿足系統(tǒng)的實際需求[2]。

微帶天線實現(xiàn)多頻特性的方法主要是多片法、多枝節(jié)法和單片法。多片法利用諧振頻率不同的多個貼片工作，通常將較小的貼片疊放在較大的貼片之上，這樣地板和較大貼片之間的空腔諧振在較低的頻段，而貼片之間的空腔諧振在較高的頻段[3]；多枝節(jié)法是將諧振在不同頻率的輻射單元組合在一起，從而產(chǎn)生多個頻率。單片法分為單片多模法和單片加載法：單片多模法通過在單片微帶貼片的空腔內(nèi)激勵起具有不同諧振頻率的模式，從而實現(xiàn)多頻段工作[3]；單片加載法是針對單模工作的單片微帶貼片天線而言，使用的是電抗加載的方法。文獻[4]提到的一種應用于無線局域網(wǎng)的單極子天線，結構復雜，制作起來相當困難。文獻[5]提到的一種用于WLAN的小型雙頻寬帶印刷天線，雖然結構簡單，高頻段天線帶寬很寬，但是高頻段S11不穩(wěn)定，而且天線的體積不夠小巧。文獻[6]中提到的印刷圓極化三頻天線，天線結構簡單，設計獨特，采用在接地面上開槽的方法來實現(xiàn)三頻特性，但是天線尺寸較大，在低頻段效果不是很好。

本文使用多枝節(jié)法來實現(xiàn)天線在多頻段的工作功能，采用相對介電常數(shù)較低的介質(zhì)基板，并調(diào)整附加阻抗匹配網(wǎng)絡，從而阻抗帶寬得以增加，采用T形結構的微帶線饋電方法起到阻抗匹配的作用，因此設計出來的天線不僅結構簡單，體積小，而且覆蓋了2.24-2.55 GHz、3.3-3.68 GHz和4.9-5.9 GHz三個常用頻段。

1 天線設計

1.1 理論分析

對于半波偶極子天線，若是利用鏡像法，引入接地面，可將半波偶極子天線的長度縮短一半，設天線對應諧振頻率的波長為λ，即λ/4單極子天線。對于λ/ 4單極子天線，可使如圖1（a）所示的微帶線結構得以實現(xiàn)，為了能使天線尺寸縮小，需要將天線折成圖1（b）所示的L形結構[7]。

圖1 微帶線結構λ/4單極子天線

設計微帶天線時，選擇合適的介質(zhì)基板是很重要的。假設介質(zhì)的介電常數(shù)為εr，對于工作頻率為f的矩形微帶天線，輻射貼片的寬度w可以用下式計算出[7]：

式中，c為光速。輻射貼片的長度一半為λe/2；這里λe是介質(zhì)內(nèi)的導波波長，即

考慮到邊緣縮短效應后，實際的輻射單元長度L應為

式中，εe是有效介電常數(shù)，ΔL是等效輻射縫隙長度，計算公式如下：

1.2 結構設計

根據(jù)上述的天線設計方法，本文設計了一種結構簡單的多分支印刷天線，其輻射貼片上采用了三個L形結構，所設計的天線相應的中心頻率為2.4 GHz、3.5 GHz和5.4 GHz。若在自由空間傳播，三個頻點對應的λ/4分別是31.25 mm、21.5 mm和14 mm，而在介電常數(shù)為3.38的Rogers RO4003介質(zhì)中傳播，對應的λ/4分別是17 mm、11.75 mm和7.65 mm。電磁波的傳播既要經(jīng)過自由空間也要經(jīng)過介質(zhì)，所對應的λ/4應該介于二者之間，即2.4 GHz工作頻點對應的λ/4在17-31.25 mm之間，3.5 GHz工作頻點對應的 λ/4在11.75-21.5 mm之間，5.4 GHz工作頻點對應的λ/4在7.65-14 mm之間。由于三個輻射結構耦合在一起，受到微帶饋電線的影響，這種λ/4單極子天線所對應的波長將會略微發(fā)生一些變化。

天線印刷在介質(zhì)基板上，介質(zhì)基板采用相對介電常數(shù)為3.38的Rogers RO4003材料，基板的長寬高尺寸為L1×W1×H。天線的正、反面結構如圖2所示，其中陰影部分表示金屬。該天線主要由介質(zhì)基板、L形輻射貼片、T形微帶饋電線和接地面組成。L形輻射貼片寬度都為w，T形微帶饋電線水平長度為W6+W2+ W7。

圖2 天線結構示意圖

2 分支天線參數(shù)分析

為了探討天線各枝節(jié)的作用，分別討論單枝節(jié)、雙枝節(jié)和三分支等情形的分支天線，并使用高頻電磁仿真軟件HFSS15.0.2對不同情形的天線結構進行分析。

2.1 單枝節(jié)天線的仿真

當天線只有左邊的倒L形結構時，天線的S11曲線圖如圖3所示，此時天線的中心頻率在5.4 GHz附近，頻率范圍為5.1-5.9 GHz。

圖3 只有左倒L時S11曲線圖

通過調(diào)節(jié)倒L形輻射單元結構的總長度可以調(diào)整諧振頻率，倒L形輻射單元結構總長度分別取值為：12 mm、14 mm、16 mm和18 mm，不同總長度對應的S11曲線圖如圖4所示。由圖可看出，諧振頻率隨總長度的增大往小頻率方向移動，頻帶寬度會越來越窄；當總長度W3+L3取值為14 mm時，中心頻率為5.4 GHz，帶寬范圍為5.05-5.9 GHz，效果最好。

圖4 對左倒L總長度掃描的S11曲線圖

當天線只有中間的正L形結構時，天線的S11曲線圖如圖5所示，此時天線的中心頻率在3.5 GHz附近，頻率范圍為3.3-3.75 GHz。

圖5 只有中間正L時S11曲線圖

2.2 雙枝節(jié)天線的仿真

天線在左邊倒L形結構的基礎上，加上右邊一個倒L形結構，這時天線出現(xiàn)了兩個中心頻率，分別在2.4 GHz和5.4 GHz附近，相應的頻率范圍分別2.24-2.65 GHz和4.86-5.96 GHz，S11的結果如圖6所示。

圖6 只有左右倒L時S11曲線圖

若將左邊的倒L形和中間的正L形結構結合，天線也會出現(xiàn)兩個中心頻率，分別在3.5 GHz和5.4 GHz附近，相應的頻率范圍分別為3.32-3.68 GHz和4.81-5.96 GHz，S11的結果如圖7所示。當只有右邊的倒L形和中間正L形結構時，天線產(chǎn)生的中心頻率分別為2.4 GHz和3.5 GHz，頻率范圍分別為2.25-2.55 GHz和3.35-4.03 GHz，S11的結果如圖8所示。

圖7 只有左倒L和正L時S11曲線圖

圖8 只有右倒L和正L時S11曲線圖

2.3 多分支平面印刷天線

通過以上幾種情況分析可知，左邊的倒L形輻射單元會產(chǎn)生一個中心頻點在5.4 GHz附近，中間的正L形輻射單元會產(chǎn)生一個中心頻點在3.5 GHz附近，右邊的倒L形輻射單元會產(chǎn)生一個中心頻點在2.4 GHz附近，將三個輻射單元組合在一起，并調(diào)準各部分的尺寸，就可實現(xiàn)三頻段的目的。將三個輻射單元結構結合起來，得到天線的S11結果如圖9所示，天線的電壓駐波比如圖10所示，由仿真結果分析可得，天線在2.4 GHz、3.5 GHz和5.4 GHz頻點附近天線回波損耗小于-10dB，電壓駐波比小于2，天線頻率范圍分別為2.24-2.55 GHz、3.3-3.68 GHz和4.9-5.9 GHz。由此可知，對于WLAN和WiMAX所使用的頻段內(nèi)，天線的工作性能會很好。

圖9 天線S11曲線圖

圖10 天線VSWR曲線圖

3 設計結果

根據(jù)前面的分析，利用HFSS15.0.2對這種多分支平面印刷天線各個枝節(jié)的尺寸進行優(yōu)化，得出的天線參數(shù)如表1所示。對天線的遠場輻射特性進行仿真。分別選取工作頻段內(nèi)的2.4 GHz、3.5 GHz和5.4 GHz作為參考頻率點，通過E平面和H平面可觀察天線的遠場輻射特性，其遠場方向圖如圖11所示。在H平面上的形狀接近圓周，為近似全向輻射，在E平面可以獲得接近“8”字形的指向性，這種天線在相應的工作頻段內(nèi)具有良好的全向輻射特性。天線的增益特性是一個重要參數(shù)，由圖12可見，這種天線在工作頻段上的增益都大于2.5 dBi，在高頻范圍內(nèi)的增益達到4.7 dBi。根據(jù)表1中的天線尺寸，做出相應的天線實物，如圖13所示。采用AV3620高性能射頻一體化矢量網(wǎng)絡分析儀，測得反射系數(shù)和電壓駐波比曲線由圖14和圖15分別給出，作為對比，將相同幾何參數(shù)天線的仿真曲線也放在圖中。由于加工制作條件的限制，天線的損耗以及一些人為因素，導致實測的結果出現(xiàn)小范圍波動。雖然天線在高頻部分的差異比較大，但是實驗結果和仿真結果的總體趨勢一致。

表1 優(yōu)化后的天線參數(shù)（mm）

圖11 天線遠場輻射圖

圖12 天線的增益曲線

圖13 天線實物圖

圖14 天線S11曲線圖

圖15 天線VSWR曲線圖

4 結束語

本文設計了一種三分支三頻段單極子天線，利用T形結構的微帶線饋電方法，天線輻射體采用三個L形相互組合的金屬貼片，從而使天線實現(xiàn)三頻特性，可工作在WLAN與WiMAX系統(tǒng)中。此外，天線具有良好的全向輻射特性，結構簡單，體積較小，易于與微波電路集成，同時具有較大的增益?？蓱糜诔Ｒ姷囊苿油ㄐ旁O備上面。

［1］ 蓋碩，焦永昌，朱沛，等.一種新穎的應用于無線局域網(wǎng)的小型化單極子天線[J].微波學報，2010，25（3）：172-174.

［2］ 高國平，楊雪霞，張金生，等.多用途超寬帶印刷單極子天線[J].蘭州大學學報（自然科學版）.2008，44（5）：74-77.

［3］ 張申.微帶雙頻天線的研究與設計[D].西安：西安電子科技大學.2012.3.

［4］ TARGONSKI S D，WATERHOUSE R B，POZAR D M.Wideband aperture coupled stacked patch antenna using thick substrates[J].Electronics Letters，1996，32（21）：1941-1942.

［5］ 宋小弟，馮恩信，傅君眉.一種用于WLAN的小型雙頻寬帶印刷單極天線[J].微波學報.2009，25（6）：71-74.

［6］ 張振北.WLAN_WiMAX多頻天線設計[D].大連：大連海事大學.2013.6.

［7］ 李明洋，劉敏，楊放.HFSS天線設計[M].北京：電子工業(yè)出版社，2011.8.

Design of multi-branch printed antenna

WANG Xiao-feng，ZHENG Hong-xing，ZHANG Yu-xian
（Institute of Antenna and Microwave Techniques，Tianjin University of Technology and Education，Tianjin 300222，China）

A multi-branch printed antenna is discussed in this paper.It consists of three L-shape units，corresponding frequencies of 2.4 GHz，3.5 GHz and 5.4 GHz.It can be applied to WLAN and WiMAX systems.Microstrip line is designed as T-shape to feed the antenna and match each radiation unit.We use the electromagnetic simulation software HFSS to design the antenna.Result shows that 10dB impedance bandwidths are approximately 1 GHz（4.9-5.9 GHz）and 310 MHz（2.24-2.55 GHz）for WLAN，and 380MHz（3.3-3.68 GHz）for WiMAX.The designed antenna has been fabricated then tested.Good performance has been obtained for far-field characteristics of radiation.The total gain of this antenna is between 2.5 and 4.7 dBi.

multi-branch；printed antenna；miniaturization

T

A

2095－0926（2014）04－0001－04

2014-00-00

國家自然科學基金項目（61371043）；天津市應用基礎及前沿技術研究計劃（12JCYBJC10500）.

萬小鳳（1990-），女，碩士研究生，研究方向為天線與微波技術；鄭宏興（1962-），男，教授，博士，碩士生導師，研究方向為天線、微波電路和計算電磁學.