一種新型三頻天線的設計與分析

唐雨竹，馬文英，魏耀華

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一種新型三頻天線的設計與分析

唐雨竹，馬文英，魏耀華

（成都信息工程大學 通信工程學院，四川 成都 610225）

設計了一種新型的基于多枝節結構的三頻天線。該天線由共面波導饋電，天線整體尺寸為30 mm×35 mm×1.5 mm，基板選用FR4，其相對介電常數為4.4。天線由三個貼片構成，通過調整三個貼片的長寬，可以使得三個貼片產生低頻到高頻三個中心頻點，從而形成了三個工作頻段。天線通過在貼片和共面波導的地平面中加入漸變結構，改善了三個頻段上的阻抗匹配。采用仿真軟件HFSS對天線進行了分析和優化。仿真結果表明，天線的–10 dB工作頻段分別為：2.33~2.75 GHz，3.15~3.75 GHz，4.35~6.07 GHz，能夠較好地覆蓋WLAN和WiMAX的通信頻段。天線的結構簡單，尺寸較小，具有較好的輻射特性。

共面波導；多枝節結構；阻抗匹配；三頻段；WLAN；WiMAX

近年來，無線通信系統迅猛發展，通信的帶寬不斷增加，接入方式日趨多樣，這對天線提出了多頻的要求。而隨著無線通信設備的集成性不斷增強，設備對于天線的小型化提出了實際的需求。因此，研究可以在多個通信協議下工作的小尺寸天線具有一定的實際意義。

在眾多的無線通信協議中，無線局域網(Wireless Local Area Networks，WLAN)和全球微波互聯接入(Worldwide Interoperability for Microwave Access，WiMAX)是兩種應用廣泛，且能夠提供高速接入的無線通信協議。因此，工作頻段能夠覆蓋WLAN和WiMAX頻段的多頻小型化天線得到了廣泛的關注和研究。

工作于WLAN的WiMAX頻段的天線主要有以下方案實現多頻：（1）通過設計輻射貼片上的開槽來產生多頻，這種方案的缺點是開槽的設計較為復雜[1-2]；（2）采用超材料加載技術。這種方案的缺點是超材料結構復雜，不利于設計和加工[3-5]；（3）基于單極子天線，采取多枝節設計以實現多頻[6-8]。這種設計結構簡單，但是在很多基于L形單極子的設計中，多個頻段的阻抗匹配往往參差不齊，帶寬較小[9-11]。可見，研究一種在多個頻段內阻抗匹配都較好的多枝節天線是十分有意義的。

本文提出了一種引入漸變結構改善多枝節天線阻抗匹配的方法。所設計的天線具有結構簡單，工作帶寬能夠覆蓋WLAN和WiMAX頻段，輻射特性較好等優點，能很好地應用于無線通信設備中。

1 天線設計

所設計的天線結構如圖1所示，由圖1(b)可見，該天線的輻射單元主要由梯形貼片、一個矩形貼片以及一個U形貼片構成，通過在梯形貼片和共面波導地平面上對稱切角，提高了天線對于三個工作頻段的阻抗匹配。天線采用共面波導饋電，印刷在尺寸為30 mm×35 mm×1.5 mm的FR4_exproy介質基板上，介質的相對介電常數為4.4，損耗角正切為0.02。天線結構參數如表1所示。

(a)

(b)

圖1 天線結構示意圖

Fig.1 Antenna structure diagram

表1 天線結構參數

Tab.1 Optimized parameters dimensions for the antenna mm

LWghwl1l2l3l4l5 1118.70.3126912210 w1w2w3w4w5w6h1h2g 68.52452222

為了說明天線結構中漸變結構對于提高天線阻抗匹配的作用，利用HFSS分別對沒有采用漸變結構的天線（天線1）、僅在貼片上采用漸變結構的天線（天線2）和本文設計的天線（天線3）進行建模、仿真，得到三者的回波損耗頻率特性曲線，如圖2所示。

由該仿真結果可見，與其他兩種結構的天線相比，本文提出的天線，由于同時在貼片和共面波導地面上引入了漸變結構，在高頻的阻抗匹配和帶寬得到增強。

為了說明天線結構中三個貼片的作用，利用HFSS對天線進行建模，仿真得出天線在不同頻點下的電流分布，如圖3所示。

(a) 2.4 GHz時電流分布

(b) 3.5 GHz時電流分布

(c) 5 GHz時電流分布

圖3 天線的表面電流分布

Fig. 3 Antenna surface current distributions

從圖3(a)可以看出，當天線工作在2.4 GHz時，電流主要分布在U形貼片上；從圖3(b)可以看出，當天線工作在3.5 GHz時，電流主要分布在矩形貼片上；從圖3(c)可以看出，當天線工作在高頻5 GHz時，電流主要分布在梯形貼片上。因此，通過設計這三個貼片的尺寸可以得到對應的工作頻點。根據微帶單極子的設計原理[12]，當天線工作在2.4，3.5，5.0 GHz時，若電磁波在自由空間中，則對應的1/4波長分別約為31.25，21，15 mm，若電磁波在FR4介質中，則相應的1/4波長分別約為19，13，9.13 mm。由于介質只在貼片的一邊，因此，貼片的長度應該介于兩種情況的1/4波長之間。

2.4 GHz頻點對應的電流路徑長度為3+4+5+4+5+1=39 mm；3.5 GHz頻點對應的電流路徑長度為2+1=15 mm；5 GHz頻點對應的電流路徑長度為1+=7 mm。可見，除2.4 GHz頻點外，其余兩個頻點對應的枝節長度均在根據理論計算得到的范圍之內。這是由于天線工作在不同的頻段時，天線的三個不同貼片上均有電流分布，因此，三個貼片之間會相互影響，貼片長度不嚴格符合理論值。

2 參數分析

為了分析天線各尺寸參數變化對天線的影響，并確定各參數的最優值，利用HFSS對天線的關鍵參數進行了掃描分析。

首先，為了保證天線能夠產生5GHz的高頻諧振頻率，必須對天線的梯形貼片進行分析，圖4(a)給出了梯形貼片長1變化對天線11的影響。仿真結果表明，1增大將使得5 GHz頻段以及3.5 GHz頻段向低頻移動，因此應該選擇1=6.0 mm作為最優值。

因為U形貼片和矩形長條貼片直接連接在梯形貼片的兩端，所以梯形貼片寬度的變化除了產生5 GHz工作頻段，還對3.5 GHz頻段和2.4 GHz頻段的電流路徑長度和阻抗匹配有一定影響。因此，應該分別調整梯形貼片的左右兩邊的寬度。圖4(b)、圖4(c)分別給出了梯形貼片左右兩邊的寬度1和2變化對11的影響。1的變化主要會造成2.4 GHz和3.5 GHz頻段的諧振頻率和阻抗匹配情況的改變；而2的變化對天線的三個工作頻段都有較大的影響，伴隨著2的增大，天線在三個工作頻段內的阻抗匹配逐漸得到改善，帶寬不斷增大，同時3.5 GHz頻段和5 GHz頻段的諧振頻率向高頻移動。可見，2是影響天線帶寬和工作頻段位置的關鍵參數。為了兼顧工作頻段位置和阻抗匹配效果，選擇1=6.0 mm，2=8.5 mm。

(a)1變化對11的影響

(b)1變化對11的影響

(c)2的變化對11的影響

圖4 梯形貼片尺寸變化對11的影響

Fig.4 Influences of trapezoid patch on return loss

其次，調節矩形貼片的長寬2和3可以保證天線在3.5 GHz頻段的性能。圖5表示2變化對11的影響，由圖5可見，3.5 GHz頻段的諧振頻率會隨著2的增大向低頻移動；選擇2=9.0 mm。

最后，優化U形貼片的尺寸可以使得天線的低頻諧振頻率穩定在2.4 GHz。圖6表示5對11的影響。從圖6可見隨著5的增大，天線在2.4 GHz頻段的帶寬不斷減小，諧振頻率逐漸下降。由仿真可知，當5=10 mm時，天線的阻抗匹配和頻段覆蓋最佳。

3 仿真和實測

根據優化后的參數，對天線進行了加工和測試，天線實物照片如圖7所示，利用微波網絡分析儀Agilent N5244A PAN-X對天線的回波損耗頻率特性進行了測試，天線的回波損耗頻率特性曲線的仿真和實測結果如圖8所示。

仿真結果表明：天線的三個工作頻段分別為2.33~2.75 GHz，3.15~3.75 GHz，4.35~6.07 GHz；相對帶寬分別約為17.65%，17.24%，33.79%。而實測結果表明：天線的三個工作頻段分別為2.31~2.55 GHz，2.96~3.56 GHz，4.16~6.06 GHz；相對帶寬分別達到了9.77%，18.7%，39.54%。

天線的最大增益頻率特性曲線如圖9所示。可見，天線在2.4 GHz頻段(2.3~2.8 GHz)內的增益為2.01~2.11 dBi，在3.5 GHz頻段(3.3~3.8 GHz)的增益為1.66~2.18 dBi，在5.5 GHz頻段(5.1~5.8 GHz)的增益為3.53~3.97 dBi。當天線工作在3.5 GHz頻段時，U形貼片上會因為彎折結構的存在而產生相位相反的電流，從而造成天線在此頻段內增益較小。

圖10為天線在2.4，3.5，5 GHz頻點的面內增益方向圖的仿真結果，可以看出當天線工作在低頻2.4 GHz時，天線的輻射性能較好，類似于單極子天線。而在高頻，天線的輻射表現出了一定的方向性。結合天線的表面電流分布圖（圖2）可以看到，當天線工作在3.5 GHz和5 GHz時，天線的表面電流在天線的U形貼片上都有一定的分布，造成了天線輻射的方向性的畸變。

為進一步說明本文所提出的天線在各個參數的特點和優勢，將其與文獻[3]、文獻[4]、文獻[11]中的天線進行了對比，結果如表2所示。可見，天線能夠覆蓋三個頻段，且帶寬較寬，特別是與文獻[3]中的天線相比，雖然尺寸較大，但輻射增益較好。

(a) 2.4 GHz

(b) 3.5 GHz

(c) 5.0 GHz

圖10 天線在各個頻率下面內增益方向圖

Fig.10 Two-dimensional radiation patterns of the antenna

表2 與其他天線對比

Tab.2 Comparison of the proposed antenna with other antennas

參數文獻[3]文獻[4]文獻[11]本設計 尺寸/mm20×1640×4540×4030×35 覆蓋頻段/GHz2.51~2.643.34~4.035.4~6.032.3~45~6.62.35~2.464.62~5.782.33~2.753.15~3.754.35~6.07 頻段內最大增益/dBi–6.0–2.780.683.22.343.13.12.112.183.97

4 結論

設計了一種基于多枝節結構的天線，天線結構簡單、新穎，易于設計，工作頻帶較寬，能夠較好覆蓋WLAN/WiMAX頻段，頻段內的增益較好。相對于一般的三枝節天線具有良好的全向輻射特性。天線易于制造，能夠很好地應用于WLAN和WiMAX系統中，是一種具有一定工程實用意義的三頻微帶天線。

[1] MOOSAZADEH M, KHARKOVSKY S. Compact and small planar monopole antenna with symmetrical L-and U-shaped slots for WLAN/WiMAX applications [J]. IEEE Antenna Wireless Propagation Lett, 2014, 13(4): 388-391.

[2] KUMAR L, GAUTAM A, KANAUJIA B, et al. Design of compact F-shaped slot triple-band antenna for WLAN/WiMAX applications [J]. IEEE Trans Antenna Propagation, 2015, 64(3): 1101-1105.

[3] QUANG H N, SHIRAI H. A compact tri-band metamaterial antenna for WLAN and WiMAX applications [C]// Electromagnetics in Advanced Applications (ICEAA), 2015 International Conference. NY, USA: IEEE, 2015: 133-136.

[4] HUANG H, LIU Y, ZHANG S, et al. Multiband metamaterial-loaded monopole antenna for WLAN/WiMAX applications [J]. IEEE Antenna Wireless Propagation Lett, 2015, 14: 662-665.

[5] SHU P, FENG Q. Design of a compact quad-band hybrid antenna for compass/WiMAX/WLAN applications [J]. Prog Electromagn Res, 2013, 138(2): 585-598.

[6] 楊敏, 陳新偉, 張文梅. 基于共面波導饋電的三頻單極子天線 [J]. 測試技術學報, 2015, (3): 195-199.

[7] 王公晗, 馮全源. 平面小型化三頻微帶天線 [J]. 探測與控制學報, 2014(5): 64-67.

[8] 肖婷, 郭慶功. 一種應用于WLAN/WIMAX的三頻微帶天線 [J]. 四川大學學報(自然科學版), 2014(1): 105-110.

[9] 李建軍, 于利娟, 杜文權. 應用于WLAN/WiMAX的三頻單極子天線設計 [J]. 電子科技, 2013(1): 62-65.

[10] 鐘小清, 姚斌, 鄭勤紅. 一款多頻段小型單極子天線的設計 [J]. 通信技術, 2015(2): 237-241.

[11] 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(2): 63-65.

[12] 李明洋, 劉敏, 楊放. HFSS天線設計 [M]. 北京: 電子工業出版社, 2011.

Design and analysis of a novel triple band antenna

TANG Yuzhu, MA Wenying, WEI Yaohua

(College of Communication Engineering, Chengdu University of Information Technology, Chengdu 610225, China)

A novel triple band antenna was developed. The antenna was fed by coplanar waveguide(CPW), whose size was 30 mm×35 mm×1.5 mm and substrate was FR4 with relative permittivity of 4.4. The antenna was composed by three patches, by adjusting the width and length of the patches, three resonant frequency bands were introduced. The impedance matches of the three bands were improved by adding tapered structure in the patch and CPW ground plane. The antenna was simulated by using software HFSS. The simulation results demonstrate that the antenna’s –10 dB work bands are 2.33－2.75 GHz, 3.15－3.75 GHz and 4.35－6.07 GHz. The work channel can cover WLAN/WiMAX work bands. Moreover, the antenna dimension is small, the structure is simple, and the radiation characteristic is good.

coplanar waveguide; multiple branch structure; impedance match; triple band; WLAN; WiMAX

10.14106/j.cnki.1001-2028.2016.09.012

TN828.4

A

1001-2028（2016）09-0053-05

2016-07-07 通訊作者：馬文英

馬文英（1984－），女，山東菏澤人，副教授，主要從事電磁結構和微電子研究，E-mail: mwy@cuit.edu.cn ；唐雨竹（1990－），男，四川鹽亭人，研究生，研究方向為天線與亞波長電磁結構，E-mail: tyznature@163.com 。

網絡出版時間：2016-09-02 11:12:01 網絡出版地址： http://www.cnki.net/kcms/detail/51.1241.TN.20160902.1112.013.html

（編輯：陳渝生）