一種應(yīng)用于WLAN的單層寬頻微帶天線設(shè)計

宋 杰，于 映，王寅豪

（南京郵電大學(xué) 電子科學(xué)與工程學(xué)院，江蘇 南京 210003）

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一種應(yīng)用于WLAN的單層寬頻微帶天線設(shè)計

宋 杰，于 映，王寅豪

（南京郵電大學(xué) 電子科學(xué)與工程學(xué)院，江蘇 南京 210003）

摘要:設(shè)計了一種應(yīng)用于WLAN的寬頻微帶天線，通過開槽技術(shù)及引入共面寄生貼片實現(xiàn)天線的三諧振，并在寄生貼片上加載短路銷釘減小天線尺寸。利用電磁仿真軟件HFSS13.0對天線進行仿真，仿真結(jié)果表明，該天線的頻帶寬度為普通矩形微帶天線的3到4倍，并且具有適中的增益。寄生貼片上加載短路銷釘后，其面積減小為原來的一半。

關(guān)鍵詞:微帶天線；寬頻帶；開槽；三諧振頻率；寄生貼片；短路銷釘

宋杰（1990－），男，江蘇蘇州人，研究生，主要從事微波無源器件的研究，E-mail:sj020810@163.com 。

網(wǎng)絡(luò)出版時間：2016-05-31 11:09:41 網(wǎng)絡(luò)出版地址：http://www.cnki.net/kcms/detail/51.1241.TN.20160531.1109.017.html

由于微帶天線具有體積小、剖面低、質(zhì)量小、易饋電以及易與載體共形安裝等優(yōu)點，被廣泛應(yīng)用于測量和通訊的各個領(lǐng)域[1-2]。但是，由于微帶天線是一種諧振式天線，高Q特性決定了其帶寬較窄。對于如何展寬微帶天線的帶寬，已經(jīng)有了很多有效的方法。從目前的情況來看，常用的技術(shù)包括采用厚介質(zhì)基板、多層結(jié)構(gòu)、L形饋電[3]、多諧振器結(jié)構(gòu)、在貼片上開槽[4]、對饋電電路采用寬帶阻抗匹配等。

本文首次提出同時采用開槽和引入寄生貼片的方法，設(shè)計了工作頻率在2.4～2.6 GHz的天線。該天線具有寬頻帶，增益適中等特點。并在此基礎(chǔ)上，通過在寄生貼片上加載短路銷釘，減小天線尺寸。

1　 天線結(jié)構(gòu)

本文所設(shè)計的寬帶天線主要由微帶饋電結(jié)構(gòu)、開槽的矩形輻射貼片和寄生輻射貼片、介質(zhì)基板組成，其基本結(jié)構(gòu)如圖1所示。通過在上輻射邊開槽，增加電流路徑，產(chǎn)生一個新的諧振頻率[5]。另外引入一個共面寄生貼片，尺寸與輻射貼片相當(dāng)，又產(chǎn)生一個新的諧振頻率[6-7]。當(dāng)兩個新的諧振頻率和原來的諧振頻率靠近時，微帶天線的帶寬便得到展寬。本文所使用的基板為FR4，基板面積為55mm×75mm，厚度為1.512mm，相對介電常數(shù)er=4.4，損耗角tand = 0.02。

由于引入共面寄生貼片，天線尺寸明顯增加，因此對上一種結(jié)構(gòu)的天線進行改進，改進后天線結(jié)構(gòu)如圖2所示。在共面寄生貼片上加載短路銷釘。短路銷釘均勻地分列于貼片邊緣，用以調(diào)諧天線。通過調(diào)節(jié)短路銷釘?shù)拇旨毢蛿?shù)量，能有效降低寄生貼片的大小。

圖1 天線結(jié)構(gòu)圖Fig.1 Geometry of the antenna

圖2 改進的天線結(jié)構(gòu)圖Fig.2 Geometry of improved antenna

天線的中心頻率為2.45 GHz，天線的諧振頻率和尺寸的關(guān)系有如下公式[8]

式中：c表示光速；fr為天線諧振頻率；為貼片天線邊緣場引起的等效長度；為介質(zhì)相對介電常數(shù)；為有效介電常數(shù)；Wp為輻射貼片寬度；L為輻射貼片長度；H為襯底厚度；Ls為槽的長度；Ld為槽和上輻射邊中點的距離。通過開槽新增的諧振頻率和槽尺寸的關(guān)系有如下公式[9]

根據(jù)式（1）～（5），確定天線的初始尺寸，其中L=28mm，Lp=27mm，Wp=35mm，gap=1mm，Lf=8mm，Lfeed=2.88mm，Wf=0.3mm，Ws=1mm，Ld=6mm，Ls=12mm。

2　 天線的設(shè)計與仿真分析

影響圖1中天線性能的主要因素有輻射貼片和寄生貼片的尺寸、輻射貼片和寄生貼片之間縫隙距離以及輻射貼片上縫隙的尺寸。在HFSS中建立模型，對天線進行仿真分析。

該天線可以產(chǎn)生三個諧振頻率，由于槽和寄生貼片的尺寸對微帶天線的諧振點有很大的影響，在此重點討論槽和寄生貼片的不同參數(shù)對天線的影響。為了研究方便，其他參數(shù)都設(shè)為初始參數(shù)，分別改變Ls和Lp的值以考察。

當(dāng)增加槽豎向長度Ls時，高頻的諧振點明顯降低，另外兩個諧振點基本不變，如圖3所示。當(dāng)增加寄生貼片長度時，低頻諧振點降低，另外兩個諧振點基本不變，如圖4所示。

圖3 天線反射系數(shù)S11和Ls的關(guān)系Fig.3 Relationship of reflection coefficient S11of antennas and Ls

圖4 天線反射系數(shù)S11和Lp的關(guān)系Fig.4 Relationship of reflection coefficient S11of antennas and Lp

通過仿真分析，得到優(yōu)化后的最佳尺寸如表1示。

表1 天線的優(yōu)化尺寸參數(shù)值Tab.1 Optimized size parameters of the antenna mm

優(yōu)化后的天線的仿真性能參數(shù)S11和遠場區(qū)增益方向圖如圖5、圖6所示。

圖5 天線S11仿真結(jié)果Fig.5 Simulation results of S11of the antenna

圖6 天線在各個中心頻率的E 面和H 面輻射方向圖Fig.6 Radiation patterns in E and H directions of the antenna at the center frequencies

由上述可知，天線在2.4～2.6 GHz范圍內(nèi)的反射系數(shù)都處于–10 dB以下，天線的絕對帶寬為200 MHz，而普通矩形微帶天線的絕對帶寬為53 MHz。天線共有三個諧振點，在諧振頻率2.47 GHz時，增益為3.6 dB；當(dāng)諧振頻率為2.54 GHz時，增益為2.2 dB；當(dāng)諧振頻率為2.62 GHz時，增益為4.2 dB。而普通矩形微帶天線增益為3.1 dB。

圖2和圖1的天線性能隨結(jié)構(gòu)尺寸變化具有相同的規(guī)律。通過仿真分析得到圖2中改進后的天線最佳尺寸如表2所示。

表2 改進后天線的優(yōu)化尺寸參數(shù)值Tab.2 Optimized size parameters of the improved antenna mm

改進后天線的S11如圖7所示。天線在2.4 ～2.62 GHz的頻帶范圍內(nèi)S11小于–10 dB，天線的絕對帶寬達220 MHz，相較于原來的天線帶寬增加20 MHz，但共面寄生貼片尺寸較之前減小了約50%。

圖7 改進后天線S11仿真結(jié)果Fig.7 Reflection coefficient S11simulating result of improved antenna

3　 結(jié)論

通過對微帶天線開槽和引入共面寄生貼片的方法，設(shè)計了兩種工作頻率在2.4～2.6 GHz的微帶天線，并利用HFSS對天線進行優(yōu)化仿真。兩種天線帶寬都達到200 MHz，是普通矩形微帶天線帶寬的3～4倍，且增益適中。該天線覆蓋了WLAN國際標(biāo)準(zhǔn)802.11b規(guī)定的2.4～2.483 5 GHz的頻率范圍。

參考文獻：

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[3] 劉景湘, 方安安, 胡少文. 一種應(yīng)用于WLAN的容性饋電微帶天線設(shè)計 [J]. 電子元件與材料, 2014, 33(3):58-61.

[4] LIU S, QI S S. Single-layer single-patch four-band asymmetrical U-slot patch antenna [J]. IEEE Trans Antenna Propagation, 2014, 62(9):4895-4899.

[5] CHOO H, HUTANI A. Shape optimization of broadband microstrip antennas using genetic algorithm [J]. IET Electron Lett, 2000, 36(25):2057-2058.

[6] SUNG Y. Bandwidth enhancement of a microstrip line-fed printed wide-slot antenna with a parasitic center patch [J]. IEEE Trans Antenna Propagation, 2012, 60(4):1712-1716.

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[8] 趙文來, 楊秀俊, 李霖. 一種雙頻微帶貼片天線的設(shè)計 [J]. 浙江理工大學(xué)學(xué)報, 2012, 29(5):698-701.

[9] TONG K F, LUK K M, SHUM S M. Analysis of broadband U-slot microstrip antenna [C]//Tenth International Conference on Antennas and Propagation. NY, USA:IEEE, 1997:110-113.

（編輯：陳渝生）

Design of single-layer broadband microstrip antenna for WLAN application

SONG Jie, YU Ying, WANG Yinhao
(College of Electronic Science and Engineering, Nanjing University of Posts and Teleco mmunications, Nanjing 210003, China)

Abstract:A broadband microstrip antenna for WLAN application was designed. The three resonances of the antenna were realized by the slotting technique and the introduction of coplanar parasitic patch. The antenna size was descended by loading shorted pin on the patch. The antenna was simulated and analyzed with simulation software HFSS 13.0. Simulation results show that compared to the conventional rectangular microstrip antenna, the bandwidth of proposed antenna is increased by a factor of three to four and the gain is moderate. Parasitic patch area is reduced by a factor of two by loading shorted pin.

Key words:microstrip antenna; wide band; slotting; three resonant frequencies; parasitic patch; shorted pin

doi:10.14106/j.cnki.1001-2028.2016.06.017

中圖分類號:TN822

文獻標(biāo)識碼:A

文章編號:1001-2028（2016）06-0082-03

收稿日期：2016-03-11 通訊作者：于映

基金項目：東南大學(xué)毫米波國家重點實驗室開放課題資助(No. K201412)；南京郵電大學(xué)項目資助(No. NY213114)

作者簡介：于映（1968－），女，江蘇南京人，教授，主要從事微波無源器件的研究，E-mail:ying_yu_001@163.com ；