一種新穎的雙頻微帶天線設計

趙歡歡，姚愛琴，孫運強

(中北大學 儀器科學與動態測試教育部重點實驗室，山西 太原 030051 )

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一種新穎的雙頻微帶天線設計

趙歡歡，姚愛琴，孫運強

(中北大學 儀器科學與動態測試教育部重點實驗室，山西 太原 030051 )

摘要：為了滿足WLAN和WiMAX雙頻無線通信，設計了一種結構簡單的1/5雙頻微帶貼片天線，該天線采用50 Ω微帶線饋電，集總端口激勵方式。通過HFSS13.0仿真分析，天線可同時工作于WiMAX(5.25 GHz)和WLAN(2.45 GHz)頻段。仿真結果顯示，優化后的天線在2.45 GHz和5.25 GHz頻段的相對帶寬分別為10%和22%,最大增益分別為2.33 dB和3.10 dB。帶寬滿足微帶天線帶寬的要求，且天線的輻射特性良好，結構簡單,易于生產，有很大的應用前景。

關鍵詞：雙頻微帶天線；帶寬；仿真

0引言

隨著無線通信技術的快速發展，產生了多種通信協議。其中無線局域網(WLAN)是基于IEEE802.11b/g標準(2.4～2.484 GHz)和802.11a(5.15～5.35 GHz,5.725～5.875 GHz)的計算機局域網，被廣泛應用于各種無線通信網絡中。而WiMAX(Worldwide Interoperability for Microwave Access),即全球微波互聯接入是基于IEEE802.16標準(2～66 GHz),主要工作在2.5 GHz頻段(2.50～2.69 GHz)，3.5 GHz頻段(3.40～3.69 GHz)和5.5 GHz頻段(5.25～5.85 GHz)。WiMAX可以為高速數據應用提供更出色的移動性。

隨著人們對通信質量和通信設備的集成要求不斷增強。作為通信設備子部件，天線也需要更高的性能以滿足通信系統的需要。微帶天線有著體積小、重量輕、低剖面、制作簡單、易于共形、易于集成、便于實現極化和雙多頻等多種特點[1-3]，已得到廣泛的關注和應用。小型化寬頻帶和多頻帶微帶天線已成為一種發展趨勢。

微帶天線[4]實現雙頻工作的方法有很多，根據不同的尺寸及性能要求，實現雙頻工作的方法也不盡相同。一般實現雙多頻共作的方式[5]有：多層貼片[6]、多模正交[7]、縫隙加載和加載集總元件等。文獻[8]采用彎折開槽縫隙加載結構的微帶天線實現 DCS和 WLAN 的雙頻工作特性，文獻[9]提出了應用與WLAN及WiMAX的雙頻微帶天線，輻射特性良好，但尺寸偏大，文獻[10,11]是采用樹狀分形的方法設計性能良好的雙頻天線。

本文提出一種變形的微帶貼片天線，采用50 Ω 微帶線饋電，使用集總端口激勵的方式，通過Ansoft的HFSS軟件仿真分析，天線可同時工作在WLAN(2.45 GHz)和WiMAX(5.15 GHz)。優化后的天線在2.45 GHz和5.25 GHz頻段的相對帶寬分別為10%和22%，帶寬滿足微帶天線帶寬的要求，且天線結果相對簡單，輻射性能良好。

1天線結構與設計

天線結構如圖1所示，包括介質層、微帶饋線、參考地和貼片1/5部分。介質層的材質使用的是Rogers RO4003,其相對介電常數為εr=3.38，損耗正切tanδ=0.002 7，介質層厚度為1.52 mm。介質層的下表面是天線的參考地，上表面為微帶饋線和天線。

圖1　天線結構示意圖

由于天線的諧振頻率與天線尺寸有很大關系，通過調整矩形貼片的設計參數達到調整諧振頻率的目的。輻射貼片尺寸與諧振頻率的關系如下:

(1)

輻射單元長度：

(2)

有效介電常數

(3)

上述公式在沒有改變形狀的矩形輻射貼片中近似成立，只能作為天線設計的初值。而輻射貼片的尺寸大小需要通過仿真分析來確定。通過電磁仿真軟件 HFSS 13.0 對天線建模仿真，對各個參數進行優化分析，最終確定天線性能較好的一組參數值，天線參數如表1所示。

表1　天線參數尺寸/mm

2天線的仿真與優化

HFSS - High Frequency Structure Simulator,是Ansoft 公司推出的三維電磁仿真軟件,是世界上第一個商業化的三維結構電磁場仿真軟件，業界公認的三維電磁場設計和分析的工業標準。HFSS能夠快速精確地計算各種射頻/微波部件的電磁特性，得到S參數、傳播特性、高功率擊穿特性和優化部件的性能指標，并進行容差分析。

圖2是通過HFSS13.0仿真分析的天線S11結果圖，在其他參數不變的情況下，改變矩形輻射貼片L2的尺寸，從圖中可以看出回波損耗S11的變化情況。當L2增加時，天線的高頻諧振點逐漸變大，而f=2.45 GHz低頻諧振點基本不變。這說明矩形貼片的長度對高頻諧振點有很大影響，而對低頻諧振點基本不影響，但會影響整個天線的性能。也就是說，選擇合適的L2的值，可以有效改變天線特性，使天線具有更好的雙頻特性。

圖2　L2值對回波損耗S11的影響

從圖3可以看出，天線有f1=2.45 GHz和f2=5.25 GHz兩個諧振點。低諧振點時，最低回波損耗為-13 dB，天線<-10 dB的頻帶寬度為2.35～2.46 GHz，相對帶寬為10%；高諧振點時，最低回波損耗為-26 dB，<-10 dB的頻帶寬度為4.62～5.78 GHz，相對帶寬為22%。由此可看出，選擇L2=6.5 mm，可保證天線具有良好的雙頻特性。

圖3　L2=6.5 mm時，S11的掃頻結果

天線在2.45 GHz和5.25 GHz處的輻射方向圖如圖4(a)和(b)所示，可以看出天線工作在2.45 GHz時x-z面和y-z面方向圖為雙向的。而工作在5.25 GHz時，x-z面為雙向的，y-z面方向圖接近于全向，天線在高頻處時方向圖具有全向性。

圖4　2種不同頻率時天線在xz和yz截面上的增益方向圖

3結束語

提出了一種新穎的雙頻微帶貼片天線，在保證天線尺寸的情況下，通過改變輻射貼片的形狀，使之諧振頻率發生改變，同時采用50 Ω 微帶線饋電，集總端口的激勵方式實現。通過HFSS13.0仿真優化，可看出不同尺寸對天線諧振頻率的影響，分析得到天線最佳尺寸及形狀，從而得出天線可同時工作于WiMAX(5.25 GHz)和WLAN(2.45 GHz)頻段，相對帶寬分別為22%和10%，增益約為3.1 dB。關鍵指標基本滿足微帶天線的設計要求，且天線結構簡單，體積較小，具有良好的使用價值。

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Design of a Novel Dual-band Microstrip Antenna

ZHAO Huan-huan,YAO Ai-qin,SUN Yun-qiang

(Key Laboratory of Instrumentation Science and Dynamic Measurement of Ministry of Education,North University of China,Taiyuan Shanxi 030051,China)

Abstract：In order to meet the requirement of dual-band wireless communication of WLAN and WiMAX,a 1/5 dual-frequency microstrip patch antenna with simple structure is designed,which uses 50 Ω microstrip line feeding and lumped port incentives.Through HFSS13.0 simulation and analysis,it shows that the antenna can operate in WiMAX(5.25 GHz)and WLAN(2.45 GHz)bands simultaneously.The simulation results show that the relative bandwidths of the optimized antenna at 2.45 GHz and 5.25 GHz are 10% and 22% respectively.The maximum gains are 2.33 dB and 3.10 dB respectively.The bandwidth meets the requirement of the microstrip antenna,the antenna's radiation characteristic is good,and the structure is simple and easy for production.So it has a great prospect of application.

Key words：dual-frequency microstrip antenna;bandwidth;simulation

中圖分類號：TN82

文獻標識碼：A

文章編號：1003-3114(2016)02-63-3

作者簡介：趙歡歡(1990—)，女，碩士研究生，主要研究方向:通信與信息系統。姚愛琴(1969—)，女，博士，副教授，主要研究方向:測試技術及微波技術。孫運強(1963—),男，博士，教授，主要研究方向:測試計量技術與儀器。

收稿日期：2015-11-16

doi:10.3969/j.issn.1003-3114.2016.02.16

引用格式：趙歡歡，姚愛琴，孫運強.一種新穎的雙頻微帶天線設計[J].無線電通信技術,2016,42(2):63-65.