基于缺陷地結(jié)構(gòu)的寬帶多頻天線設(shè)計(jì)

金 杰 侯梓葉 潘 勇

（1.天津大學(xué)電子信息工程學(xué)院，天津300072；2.重慶三峽學(xué)院計(jì)算機(jī)學(xué)院，重慶404100）

基于缺陷地結(jié)構(gòu)的寬帶多頻天線設(shè)計(jì)

金 杰1侯梓葉1潘 勇2

（1.天津大學(xué)電子信息工程學(xué)院，天津300072；2.重慶三峽學(xué)院計(jì)算機(jī)學(xué)院，重慶404100）

提出了一種新的小型化、寬頻帶的多頻微帶天線該天線具備三個(gè)不同的工作頻段，可同時(shí)工作在藍(lán)牙、無線射頻識(shí)別（Radio Frequency Identification Devices，RFID）、無線局域網(wǎng)（Wireless Local Area Network，WLAN）和全球微波互聯(lián)接入（Worldwide Interoperability for Microwave Access，WiMAX）的通信頻段上.該微帶天線主要由四個(gè)半圓環(huán)、一個(gè)圓環(huán)、一個(gè)矩形帶以及缺陷地組成.為了獲得結(jié)構(gòu)的小型化，通過在四個(gè)半圓環(huán)中增加一個(gè)圓環(huán)來激發(fā)出該天線的兩個(gè)諧振頻率，通過改進(jìn)地板為帶圓形缺陷的拱結(jié)構(gòu)來獲得第三個(gè)阻抗匹配良好的頻段.實(shí)測結(jié)果顯示：該天線在工作頻段具有很好的輻射特性和增益.

天波超視距雷達(dá)；小型化多頻天線；藍(lán)牙／RFID／WLAN／WiMAX；缺陷地

引 言

隨著無線通信尤其是移動(dòng)通信的迅速發(fā)展，無線通信設(shè)備成為當(dāng)今研發(fā)的熱點(diǎn).在基站和移動(dòng)通信設(shè)備終端中，天線都是其中必不可少的關(guān)鍵部件之一.天線實(shí)現(xiàn)自由空間中傳播的電磁波與電路中的電磁信號(hào)相互轉(zhuǎn)換的功能，因此，天線的性能好壞直接關(guān)系到整個(gè)系統(tǒng)通信質(zhì)量的高低.另外，無線通信技術(shù)的快速發(fā)展也提出了需要擴(kuò)大系統(tǒng)容量以及實(shí)現(xiàn)雙模／多模通信的新要求.早期的單頻段通信系統(tǒng)已無法滿足實(shí)際應(yīng)用的要求，當(dāng)前的無線通信系統(tǒng)往往要工作在多個(gè)頻段上.

現(xiàn)在無線移動(dòng)通信系統(tǒng)向著小型化、多功能和智能化的方向迅速發(fā)展，因而天線也面臨著新的要求，即小型化、多頻段、寬頻帶等.近年來出現(xiàn)了一些適用于不同通信標(biāo)準(zhǔn)的單頻天線，但是同時(shí)適用于藍(lán)牙、無線射頻識(shí)別（Radio Frequency Identification Devices，RFID）、無線局域網(wǎng)（Wireless Local Area Network，WLAN）和全球微波互聯(lián)接入（Worldwide Interoperability for Microwave Access，WiMAX）的天線設(shè)計(jì)卻相對(duì)較少［1－11］.文獻(xiàn)［3-7］提出了不同形狀的多頻天線，可應(yīng)用于WLAN／WiMAX或者RFID，具有很好的帶寬和輻射特性，但天線尺寸都相對(duì)較大，文獻(xiàn)［8-10］所提出的微帶天線相對(duì)尺寸較小，但只有兩個(gè)可用頻段.通過引入缺陷地結(jié)構(gòu)，設(shè)計(jì)了一款可同時(shí)用于藍(lán)牙／RFID／WLAN／WiMAX的三頻單極子天線.該天線提供了0.16GHz、0.35GHz和1.56GHz三個(gè)阻抗帶寬，工作頻段分別為2.38～2.54GHz、3.3～3.65GHz和4.85～6.41GHz，中心頻率分別為2.47GHz、3.42GHz和5.31GHz.天線的尺寸為38.0mm× 25.0mm×0.8mm.天線由HFSS軟件進(jìn)行仿真并進(jìn)行了實(shí)物制作，實(shí)測結(jié)果與仿真結(jié)果具有非常好的匹配.

1 天線結(jié)構(gòu)與設(shè)計(jì)

圖1給出了三頻天線的具體設(shè)計(jì)結(jié)構(gòu).天線的主要輻射單元是印刷在介質(zhì)基板上的四個(gè)半圓環(huán)，一個(gè)圓環(huán)以及它們中間的矩形連接帶.天線上下兩個(gè)半圓環(huán)的外半徑和內(nèi)半徑分別為R1和R2；左右兩個(gè)半圓環(huán)的外半徑和內(nèi)半徑分別為R3和R4；中心圓環(huán)的外半徑和內(nèi)半徑分別為R5和R6；矩形連接帶長度為L1＝5.5mm.

平面單極天線的饋電方式主要有微帶線饋電、同軸線饋電、共面波導(dǎo)饋電，此外還有應(yīng)用較少的電磁耦合饋電等，選擇合適的饋電方式，對(duì)天線的性能有很大的影響.該天線采用50Ω微帶線饋電，微帶線的長和寬分別是Lf＝13mm、Wf＝2.6mm.

該天線被印制在厚度為0.8mm，相對(duì)介電常數(shù)εr＝4.4，介質(zhì)損耗為0.02的FR4的介質(zhì)板上.介質(zhì)板的尺寸為38.0mm×25.0mm.矩形地板的大小是6.0mm×25.0mm，天線的詳細(xì)參數(shù)見表1.天線經(jīng)過優(yōu)化后，實(shí)際制作出的實(shí)物圖見圖2.

圖3給出了天線的設(shè)計(jì)過程以及每一個(gè)天線對(duì)應(yīng)的回波損耗特性.輻射單元長度的計(jì)算方法是：先由天線有效電長度（輻射貼片帶線長度與相應(yīng)饋電帶線長度之和）得到輻射單元的初始長度，再由電磁仿真軟件對(duì)參數(shù)進(jìn)一步優(yōu)化.而天線的有效電長度約等于天線諧振時(shí)對(duì)應(yīng)工作波長的二分之一，其計(jì)算可以參考以下經(jīng)驗(yàn)公式［12］

式中：Leff是天線有效輻射電長度，mm；fres是諧振頻率，GHz；εeff為有效介電常數(shù)；c是真空中的光速；h和W分別是介質(zhì)板厚度和超小A型（SMA）接頭處微帶線的寬度，mm.

天線最初的設(shè)計(jì)源于天線I，僅包括一個(gè)由兩兩相同的四個(gè)半圓環(huán)拼接而成的類似花形的輻射貼片和一個(gè)地板，如圖3（a）所示，輻射單元通過SMA接頭饋電后，電流從饋電點(diǎn)流經(jīng)帶線直至輻射貼片上部大半圓環(huán)頂端，該電流流經(jīng)的路徑長為52.25 mm（約0.42λ），如圖3（b）所示，此時(shí)天線僅工作在一個(gè)頻段2.31～2.61GHz，諧振頻率為2.44 GHz.只可基本覆蓋藍(lán)牙工作頻段.天線II通過在四個(gè)半圓環(huán)內(nèi)部增加一個(gè)圓環(huán)貼片，可以激發(fā)出另一個(gè)諧振頻率，且天線的表面積大小沒有改變.為了獲得更好的匹配特性，通過計(jì)算比較，四個(gè)半圓環(huán)和內(nèi)部圓環(huán)連接的帶線寬度為2mm，比饋電點(diǎn)到四個(gè)半圓環(huán)的帶線要窄.此時(shí)電流從饋電點(diǎn)流經(jīng)帶線直至內(nèi)圓環(huán)頂端，該電流流經(jīng)的路徑長為31.06 mm（約0.34λ），依然可覆蓋藍(lán)牙工作頻段，同時(shí)產(chǎn)生了接近WiMAX工作頻段的第二頻段.從圖中可以看出，天線II的阻抗帶寬分別為2.27～2.48 GHz，3.18～3.39GHz，中心頻率分別為2.38 GHz，3.26GHz.可以得到結(jié)論，在天線的尺寸沒有改變的情況下，第一個(gè)諧振頻率向左移動(dòng)，等效于天線的尺寸被減小.為了獲取第三個(gè)工作頻段，同時(shí)改善上面獲得的第二個(gè)工作頻段.采用缺陷接地結(jié)構(gòu)（Defected Ground Structure，DGS），該結(jié)構(gòu)通過在微帶線等傳輸線接地平面上蝕刻周期性或非周期性圖形，來改變接地電流的分布，從而改變傳輸線的頻率特性，可實(shí)現(xiàn)抑制諧波，增加帶寬等作用.為了獲得良好的匹配，在矩形地板上方采用了帶圓形缺陷的拱形地結(jié)構(gòu)，缺陷半徑R8＝1.9mm，圓形缺陷的尺寸和位置在一定程度上影響了天線的諧振頻率和阻抗帶寬.

通過在拱形缺陷地結(jié)構(gòu)的合適位置蝕刻圓形缺陷，仿真發(fā)現(xiàn)天線出現(xiàn)了第三個(gè)頻段且?guī)捿^寬，匹配較好，這是因?yàn)槿毕莸亟Y(jié)構(gòu)可以濾去不希望出現(xiàn)的頻率.此時(shí)電流從饋電點(diǎn)流經(jīng)帶線直至下半圓環(huán)底端，該電流流經(jīng)的路徑長為18.5mm（約0.33 λ），由于缺陷地結(jié)構(gòu)，改變了此處的頻率特性.從而獲得了第三個(gè)頻段.最終得到覆蓋藍(lán)牙，WLAN和WiMAX工作頻段的天線.可見在花形環(huán)內(nèi)部引入圓環(huán)帶狀線以及缺陷地結(jié)構(gòu)，在沒有增加整體體積的情況可獲得性能較好的多頻段天線.

2 實(shí)驗(yàn)結(jié)果及分析

采用全波仿真軟件HFSS對(duì)天線進(jìn)行了模擬仿真，同時(shí)使用矢量網(wǎng)絡(luò)分析對(duì)實(shí)際制作的天線在暗室中進(jìn)行了測試.天線測試的實(shí)際工作的相對(duì)帶寬為7.32%（2.37～2.55GHz），12.43%（3.32～3.75GHz）和33.08%（4.74～6.47GHz）.圖4是此天線仿真與測試的回波損耗參數(shù)的對(duì)比曲線，從圖上可以看到兩者吻合度較高.兩者的誤差可能是由天線制作上和實(shí)驗(yàn)設(shè)備上的誤差引起的.天線在諧振點(diǎn)處的回波損耗分別為－19.1dB，－20.5dB和－21.1dB，顯示出天線良好的匹配特性.

圖6 為天線在工作頻帶內(nèi)的增益仿真與測試結(jié)果.在2.3～2.6GHz頻段，天線的增益相對(duì)穩(wěn)定，增益變化為0.85dBi，2.3GHz時(shí)增益最大為2.88 dBi.在3.3～3.7GHz頻段，天線的增益同樣相對(duì)穩(wěn)定，增益變化為0.62dBi，3.7GHz時(shí)增益最大為2.64dBi.與低頻段相比，4.8～6.4GHz頻段天線的最大增益和增益變化都相對(duì)較大，在5.5GHz時(shí)獲得最大增益為5.22dBi，增益變化為2.41dBi，并且天線增益的測試與仿真結(jié)果吻合較好.天線的增益滿足無線通信的要求.

3 結(jié) 論

提出了一種小型化三頻段天線，可同時(shí)工作在藍(lán)牙、RFID、WLAN和WiMAX的工作頻段.該天線主要由四個(gè)半圓環(huán)、一個(gè)圓環(huán)、一個(gè)矩形帶以及缺陷地組成.在保證天線尺寸不增大的情況下，通過在四個(gè)半圓環(huán)中增加一個(gè)圓環(huán)來激發(fā)出天線的兩個(gè)諧振頻率.通過改進(jìn)地板為帶圓形缺陷的拱形結(jié)構(gòu)來獲得第三個(gè)阻抗匹配良好的頻段.同時(shí)天線具備尺寸小、高增益、較好的輻射特性等優(yōu)點(diǎn)，適用于當(dāng)前應(yīng)用的無線通信系統(tǒng).

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Design of broadband multi-frequency antenna based on the defected ground plane

JIN Jie1HOU Ziye1PAN Yong2
（1.School of Electronic and Information Engineering，Tianjin University，Tianjin300072，China；2.School of Computer Science and Engineering，Chongqing Three Gorges University，Chongqing404100，China）

A new miniaturized wide-band multi-frequency antenna is proposed.The proposed antenna can generate three separate impedance bandwidths to cover all the 2.4／5.8GHz Bluetooth／WLAN／RFID operating bands and the 2.5／3.5／5.5GHz WiMAX bands.The proposed microstrip-fed antenna mainly consists of four semicircular rings，a circular ring，a rectangle strip，and a defected ground plane.By adding a circular ring in the four semicircular rings，the antenna excites two resonant modes and is with miniaturization structure.Because of the introduction of the cambered ground plane with an circular-defect，the third wide band with better impedance matching is obtained.A prototype is experimentally tested，and the measured results show good radiation patterns and enough gains across the operation bands.

sky-wave over-the-horizon radar；miniaturized multi-frequency antenna；bluetooth／RFID／WLAN／WiMAX applications；defected ground plane

TN82

A

1005-0388（2015）01-0104-05

金 杰 （1962－），女，遼寧人，博士，天津大學(xué)電子信息工程學(xué)院教授，博士研究生導(dǎo)師，主要研究領(lǐng)域?yàn)殡姶艌雠c微波.

侯梓葉 （1989－），女，河北人，天津大學(xué)電子信息工程學(xué)院碩士研究生，主要研究領(lǐng)域?yàn)樘炀€理論研究與設(shè)計(jì).

潘 勇 （1981－），男，重慶人，重慶三峽學(xué)院計(jì)算機(jī)學(xué)院講師，博士，主要研究領(lǐng)域?yàn)槲锫?lián)網(wǎng)通信、天線理論與設(shè)計(jì).

金 杰，侯梓葉，潘 勇.基于缺陷地結(jié)構(gòu)的寬帶多頻天線設(shè)計(jì)［J］.電波科學(xué)學(xué)報(bào)，2015，30（1）：104-108.

10.13443／j.cjors.2014033101

JIN Jie，HOU Ziye，PAN Yong.Design of broadband multi-frequency antenna based on the defected ground plane［J］.Chinese Journal of Radio Science，2015，30（1）：104-108.（in Chinese）.doi：10.13443／j.cjors.2014033101

2014-03-31

國家自然科學(xué)基金（60777014）；高等學(xué)校博士學(xué)科點(diǎn)專項(xiàng)科研基金（20090032110027）聯(lián)系人：金杰E-mail：jinjie＠tju.edu.cn