工作于2.4 GHz/5.2 GHz雙頻段微帶縫隙天線的設計

章堅武，王錦璇，葉 霓

（杭州電子科技大學 通信工程學院，浙江 杭州 310018）

0 引言

近年來，隨著短距離無線接入技術及無線局域網技術的迅速發展，從頻譜資源分配上來看，原有的802.11b（2.402～2.480 GHz）協議中的帶寬和傳輸速率是非常有限的，已經不能滿足如今數據通信的要求，因此，能夠兼容頻率更高、頻譜資源更為充裕的802.11a（5.15～5.35 GHz）協議是WLAN發展的必然趨勢[1-2]。部署能兼容IEEE 802.11a和IEEE 802.11b規范的多模式無線網絡將是社會和市場發展的需要，而同時具有802.11a和802.11b 2個版本功能的WLAN將需要1個雙頻帶的無線電發射機或2個單頻帶的無線電發射機，分別應用于2.4 GHz頻帶和5.2 GHz頻帶。當使用2個單頻帶的無線電發射機勢必會占有通信設備更大的物理空間，這與移動終端小型化的趨勢不符，這時就要求無線電發射機使用能夠雙頻工作的天線，所以研發能夠在無線局域網上實現雙頻工作的天線顯得尤為重要。

筆者研究的主要內容就是盡可能發揮微帶天線本身體積小，易于實現雙頻工作等優點，設計出能夠工作在WLAN網絡上的小型雙頻微帶天線[3-4]，諧振頻率分別為2.4 GHz和5.2 GHz，工作帶寬分別要包括2.402～2.483 GHz和5.15～5.35 GHz 2個頻段。下面將具體介紹設計過程。

1 天線的結構和工作原理

圖1給出了微帶縫隙天線的基本結構圖與等效電路圖。輸入阻抗由輻射電阻R和電抗X串聯組成。當縫隙天線諧振于設計頻率上，輸入阻抗的電抗為0。對低介電常數的基片，偏心饋電縫隙天線的諧振長度在0.4λ～0.5λ之間，它取決于介質材料、縫寬和饋電位置。

筆者對傳統微帶縫隙天線所加載的縫隙形狀進行了修改，希望設計出能很好工作在WLAN的2個頻段上的天線。這里，天線的介質材料采用的是介電常數εr為2.55的四氟聚乙烯高頻板，而介質基板的厚度h則調整為1.2 mm。此縫隙天線的具體結構如圖2所示，介質基板的上面是載入縫隙的接地面，而另一面則是微帶線。

微帶線被設計與50 Ω的傳輸線匹配，微帶線的寬度可由式（1）得到[6]

圖2 微帶縫隙天線結構圖

由圖3可見，此天線的結構與一般的縫隙天線的結構非常類似，都是在天線的地板面上刻蝕縫隙槽，在介質基板的另一面上刻蝕的是微帶線，只是這里的縫隙槽形狀比較新穎，它是在一條水平槽的兩端分別又加載了2個倒U型槽，從而使天線實現了雙頻工作特性。

2 天線仿真與結果分析

在天線的設計過程中，利用仿真軟件對天線進行仿真分析是必不可少的步驟。這里，為了比較天線的主要參數對諧振頻率及阻抗帶寬的影響，以及明確天線的輻射機理，采用基于有限元法的高頻仿真軟件HFSS v10.0對天線的各個主要參數進行了仿真分析。

首先，對天線微帶線的饋電位置的不同進行仿真比較，主要比較了采用中心饋電和偏心饋電2種情況，所獲的天線回波損耗如圖4所示，當天線選擇中心型饋電時，由于縫隙相對于微帶線是對稱的，所以天線只在單頻段產生諧振，工作帶寬為2.31～2.43 GHz（回波損耗＜-10 dB）。而當天線選擇偏心型饋電時，由于縫隙相對于微帶線是不對稱的，這就相當于天線有2個不同長度的縫隙受到激勵，產生輻射，從而使天線實現了雙頻段工作，工作頻段為2.40～2.57 GHz和5.12～5.36 GHz，這2個頻段都包含了WLAN的工作頻段（2.402 0～2.483 5 GHz，5.150～5.350 GHz）。

其次，研究了加載的U型槽的長度Ls對天線的輻射特性的影響，如圖5所示，在其他參數相同的情況下，隨著U型槽的支臂長度Ls的增加，天線在高、低頻段上的諧振頻率都是逐漸減小的，只是天線在低頻段的諧振頻率的偏移較小，而在高頻段的諧振頻率的偏移比較大。當天線地面上的U型槽支臂的長度Ls為7.9 mm時，天線獲得了較好的雙頻工作帶寬（低頻段為2.40～2.57 GHz，高頻段為5.12～5.36 GHz）。

最后，研究了天線加載的縫隙寬度對天線的輻射特性的影響。這里，選擇三種方案研究槽的寬度對諧振頻率的影響大小，仿真結果如圖6所示。當所有加載的槽寬度都為1 mm或1.2 mm時，以及當U型槽的寬度為1 mm，而底槽寬為1.2 mm時，分別比較仿真了天線的回波損耗。由結果可知，縫的寬度變化對天線的低頻段的諧振頻率和帶寬影響較小，而對高頻段的諧振頻率和寬度影響較大，綜合比較諧振頻率和帶寬，可知，當其他的槽寬度為1 mm，而底槽寬為1.2 mm時，天線仿真的結果較理想。

圖6 天線的槽寬對工作頻段的影響

最終得到所設計的WLAN天線的主要尺寸參數如表1所示。

表1 天線的尺寸參數

3 天線的制作與實測

為了驗證所設計的微帶縫隙天線的性能，實際加工制造了天線實物，并使用S參數矢量網絡分析儀（安捷倫8753ES）對其性能進行了實測。依據圖3所示的天線架構和表1所給出的尺寸，在雙面敷銅的介質基板上蝕刻而成天線實物，中間的介質基板選擇介電常數為2.55的聚四氟乙烯高頻板。天線實物照片如圖7所示。

對天線實測得到的回波損耗和電壓駐波比分別如圖8和圖9所示。圖8所示的是天線回波損耗的實測值和仿真值的比較。由于天線跨越的頻段范圍較大，對天線在高/低頻段分別進行了測量。測試得到的天線在低頻段（2.4 GHz）的工作頻段為 2.365～2.515 GHz，包含WLAN的IEEE 802.11b協議中的2.402 0～2.483 5 GHz頻段范圍。在高頻段（5.2 GHz）測得的工作頻段為5.08～5.38 GHz，包含了WLAN的IEEE 802.11a協議中的5.15～5.35 GHz頻段范圍。另外，由圖9所示天線的電壓駐波比（VSWR）可知，在天線的2個工作頻段，VSWR都小于2，說明天線在這2個頻段的匹配情況基本良好，基本滿足天線的設計要求。與文獻[7]中的2.4 GHz/5.2 GHz的WLAN天線（尺寸為80 mm×45 mm）相比較，天線的尺寸得到很大的縮減，但諧振頻率和帶寬都得到了較好的保證。

圖10和圖11分別為天線在2.4 GHz和5.2 GHz的實測方向圖，可以看出在2個頻率點天線的YZ面都有較好的全向輻射，在XZ面出現了個別旁瓣，但其增益仍然滿足實用的要求。

4 小結

筆者設計了一款新型微帶縫隙天線，并利用仿真軟件HFSS對天線進行了仿真分析優化，最終結果顯示，天線在WLAN的高/低頻段都得到了很好地匹配，并獲得了較好的帶寬（低頻段為2.40～2.57 GHz，高頻段為5.12～5.36 GHz）。最終加工制作了天線實物，并對其進行了測試，通過對實測結果與仿真結果的比較分析，較為理想，天線在低頻段（2.4 GHz）獲得的工作頻段為2.365～2.515 GHz，其包含了WLAN的IEEE 802.11b協議中的2.402 0～2.483 5 GHz頻段范圍；在高頻段（5.2 GHz）測得的工作頻段為5.08～5.38 GHz，其包含了WLAN的IEEE 802.11a協議中的5.15～5.35 GHz頻段范圍。另外，該天線體積較小，并且制作簡單，適合應用在筆記本式計算機、無線路由器等移動終端上，所以有較好的實用價值。

[1]段永福.無線局域網（WLAN）設計與實現[M].杭州：浙江大學出版社，2007：46-57.

[2]顧曉亮，鄭恒瑞.無線局域網技術標準的比較[J].中國數據通信，2004，6（9）：68-72.

[3]王洪林.微帶電視頻道天線設計和實物測試[J].電視技術，2000，24（9）：52-55.

[4]王文山，馮紹福.四層圓環天線設計及應用[J].電視技術，2002，26（5）：92-93.

[5]鮑爾，布哈迪亞.微帶天線[M].梁聯倬，寇廷耀，譯.北京：電子工業出版社，1984：1-195.

[6]KHUNEAD G，NAKASUWAN J，SONGTHANAPITAK N，et al.Investigate rectangular slot antenna with L-shaped strip[EB/OL].[2010-10-09].http：//piers.org/piersonline/pdf/Vol3No7Page1076to1079.pdf.

[7]YEH S H，WONG K L.Dual-band F-shaped monopole antenna for 2.4/5.2 GHz WLAN application[C]//Proc.IEEE Antennas and Propagation Society International Symposium.[S.l.]：IEEE Press，2002，4：72-75.