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（WLAN）和全球微波互聯接（WiMAX）系統。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展，無線系統對天線的小型化和寬頻帶的要求越來越高。無線局域網（WLAN）和全球微波互聯接入（WiMAX）的迅速發展，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勢，能夠在很大程度上滿足系統的實際需求[2]。

微帶天線實現多頻特性的方法主要是多片法、多枝節法和單片法。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]；多枝節法是將諧振在不同頻率的輻射單元組合在一起，從而產生多個頻率。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激勵起具有不同諧振頻率的模式，從而實現多頻段工作[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。

本文使用多枝節法來實現天線在多頻段的工作功能，采用相對介電常數較低的介質基板，并調整附加阻抗匹配網絡，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，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，選擇合適的介質基板是很重要的。假設介質的介電常數為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是介質內的導波波長，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，ΔL是等效輻射縫隙長度，計算公式如下：

1.2 結構設計

根據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，而在介電常數為3.38的Rogers RO4003介質中傳播，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過自由空間也要經過介質，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生一些變化。

天線印刷在介質基板上，介質基板采用相對介電常數為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 分支天線參數分析

為了探討天線各枝節的作用，分別討論單枝節、雙枝節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

通過調節倒L形輻射單元結構的總長度可以調整諧振頻率，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，并調準各部分的尺寸，就可實現三頻段的目的。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，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的尺寸進行優化，得出的天線參數如表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，由圖12可見，這種天線在工作頻段上的增益都大于2.5 dBi，在高頻范圍內的增益達到4.7 dBi。根據表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絡分析儀，測得反射系數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 優化后的天線參數（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，從而使天線實現三頻特性，可工作在WLAN與WiMAX系統中。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。可應用于常見的移動通信設備上面。

［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.