共面帶狀線饋電三頻高增益微帶天線

周 鋆， 楊雪霞， 呂艷青

(上海大學通信與信息工程學院，上海200072)

隨著現代無線通信技術的飛速發展，不斷出現新的通信協議，與此同時投入應用的頻段也越來越多，其中最具代表性的是2.4和5.8 GHz這2個國際頻段.WLAN(IEEE 802.11b/IEEE 802.11g)、藍牙(Bluetooth)、ZigBee等協議工作于2.4 GHz頻段，5.8 GHz頻段主要用于解決從骨干網到駐地網接入的問題.另外，迅速升溫的WiMAX技術所帶來的3.5 GHz網絡也正逐步進入人們的視野.基于無線通信的特點和應用，如何既不增大天線面積又獲得更高的性能，是近年來天線設計的研究熱點，其中能同時涵蓋幾個重要頻段的多頻天線極具實際意義.隨著無線輸能技術的不斷進步，多頻天線還有望實現一個頻點輸能、其他頻點同時收發信號的強大功能.

實現微帶天線多頻的方法多種多樣：疊層天線形式［1］設計簡單，但一般多頻之間相隔較近;不對稱的曲線微帶形式［2］易于加工，但尺寸往往較大;在貼片上開多個槽的天線結構［3］體積較小，但增益較低，一般在4～5 dBi左右;文獻［4］提出了一種分形天線實現了較寬的雙頻頻帶，但結構卻很復雜;文獻［5］提出了一種雙菱形環路天線形式，文獻［6］將其改進，實現了易于集成的高增益天線，文獻［7］進一步改進，實現了寬帶圓極化工作.在此基礎上，本研究提出了一種結構相對簡單、易于加工、使用共面帶狀線(coplanar stripline，CPS)饋電的三頻微帶天線，經實測各頻點均正常工作，增益達10 dB以上.

1 天線結構與仿真

本天線采用雙菱環結構，并于兩環正中添加一對小環，實現了2.4，3.5和5.8 GHz 3個頻段工作.天線置于介電常數為2.55、厚0.8 mm的介質基板上，具體結構如圖1所示.外圍菱形環路(即大環)由2個正方形微帶環構成，正方形邊長為Rs，線寬Rw，末端在Sp位置處開有槽口，長度為Sl.兩環間距Ad，且與圖中O點呈中心對稱擺放.2個小環置于大環正中，邊長為Ps，線寬與大環相同.大環與小環之間由一根寬為Fw的短接線將二者頂角連在一起.介質基板之下是金屬反射板，它們之間是高度為Ah的空氣層.

圖1 CPS饋電三頻天線結構Fig.1 CPS fed triple band antenna structure

大環周長最長，將產生三頻中最低的頻點，即2.4 GHz.該頻點可通過調節Rs獲得，Sp與Sl則用于實現多頻后的微調.小環的作用是產生最高的頻點，即5.8 GHz，同樣可通過調節Ps的長度獲得.

根據文獻［8］提供的經驗數據，當最高和最低兩頻點相差大于1.74倍時，則需要再添加一段短接線來確保小環的供能.圖2為仿真電流分布圖(對稱部分已省去)，顏色越淺表示電流越大.由圖可見，在2.4 GHz工作時天線上的電流盡數分布于大環上，而在5.8 GHz工作時電流則分布在小環與短接線上，與設計初衷相吻合.

圖2 電流分布Fig.2 Current distribution

由于大環與小環之間存在耦合，因此還將激勵起介于2.4與5.8 GHz之間的頻點.通過調節大小環的間距Rd，配合精心設計Sp與Sl的長度能將耦合頻點諧振于所需位置.本天線在此處的工作頻率即為3.5 GHz，至此三頻工作特性得以實現.在介質基板底部增加反射板還能有效提高CPS饋電結構的天線增益.

本天線設計仿真使用Ansoft公司的HFSS10軟件，各部分尺寸如表1所示.S11性能仿真結果如圖3所示，三頻點分別諧振在2.47，3.49和5.79 GHz，工作帶寬分別為140 MHz(-10 dB)，130 MHz(-10 dB)和260 MHz(-20 dB).歸一化方向圖的仿真結果如圖4所示，最大方向上增益隨頻率的關系如圖5所示.本天線相對2.4 GHz單頻工作的菱形天線而言，充分利用了自身的結構特點，實現了三頻功能的同時，并未增大整體面積.

表1 天線尺寸Table 1 Antenna dimension mm

圖3 S11性能仿真結果Fig.3 S11simulated result

圖4 歸一化方向圖(dB)Fig.4 Normalized radiation pattern(dB)

圖5 天線增益性能仿真結果Fig.5 Gain simulated result of the antenna

2 巴倫設計

若要實測天線，還需在其后附加一段CPS至微帶線的轉換器，即巴倫(Balun).由于本天線的3個工作頻點涵蓋了2～6 GHz之間近4 GHz的頻段，故考慮使用文獻［9］提出的一種寬帶巴倫.巴倫的具體結構如圖6所示，天線饋電處延伸出一對長L1寬W1的CPS，兩端分別接上扇形調諧枝節與多節阻抗匹配器，配合基板背面略為不規則的巴倫地，完成CPS至微帶線的轉換與匹配.扇形半徑Br為λg/4，其中λg為5.8 GHz在εr=2.55時的導波波長.多節匹配器則遵循常見的1/4阻抗變換原理.考慮到3個頻段的綜合性能，結合實際仿真調試，最終各部分具體尺寸詳見表2.由圖3可見，添加巴倫以后，頻點略微有所漂移，但因同時阻抗得以匹配，故S11性能更佳.3處諧振點的輸入阻抗分別為52.29-j 3.19 Ω (2.48 GHz)，40.09-j0.81 Ω(3.48 GHz)和49.26-j0.14 Ω(5.88 GHz).附加巴倫以后，天線的歸一化方向圖如圖4所示，各頻點方向圖相比附加之前略有傾斜，推測是因為巴倫的引入稍稍影響了天線的輻射.

圖6 CPS至微帶線巴倫結構Fig.6 CPS to microstrip Balun structure

表2 巴倫尺寸Table 2 Balun dimension mm

3 實測結果與分析

本天線實物圖如圖7所示，使用網絡分析儀(安捷倫8720C)進行測試，實測S11性能如圖8所示.3個頻段各自的 -10 dB帶寬如下：2.4 GHz處170 MHz(2.36～2.52 GHz)，3.5 GHz處80 MHz (3.38～3.46 GHz)以及5.8 GHz處700 MHz(5.72～6.42 GHz)，其中2.4 GHz與5.8 GHz頻段很好地覆蓋了工業、科學和醫用(industrial scientific medical，ISM)頻段，而3.5 GHz處因諧振于3.42 GHz，故只覆蓋了中國WiMAX在3.5 GHz頻段處的上行頻段(3 399.50～3 431.00 MHz).

圖7 天線實物圖Fig.7 Photo of the antenna

圖8 實測S11性能Fig.8 S11performance

測量天線增益與方向圖時，發射天線為標準喇叭天線，測試天線置于微波暗室中遠場區的轉臺上.本天線在2.4和5.8 GHz頻率上的歸一化方向圖如圖4所示.通過和標準喇叭天線的增益對比，得到最大方向上2.4 GHz時天線增益為10.9 dB，5.8 GHz時為10.2 dB.

由圖4與圖8可見，實測的S11頻響特性、方向圖以及最大增益與仿真值吻合良好.造成實測與仿真誤差的原因主要是反射板距離為手工調整，較難與仿真條件精確一致.此外，加工精度以及SMA接頭的焊接也有一定的影響.

4 結束語

本研究提出了一種由CPS饋電并工作于2.4，3.5和5.8 GHz的三頻微帶天線，其結構相對簡單且具有10 dB以上的增益.實測結果與仿真結果吻合度較好，可應用于目前WLAN，Bluetooth，ZigBee，WiMAX等多個重要的許可與免許可頻段.本研究還設計了適用于該天線的巴倫，可使其滿足其他饋電方式的應用需求.若對本天線的槽口位置和長度配合小環周長作更精確地調整，還有望實現最低頻點處的圓極化功能，使其更具應用價值.

［1］ WANGY F，FENGJ J，CUIJ B，et al.A dual-band circularly polarized stacked microstrip antenna with single-fed for GPS applications［C］∥ International Symposium on Antennas，Propagation and EM Theory.2008：108-110.

［2］ DEEPUV，RAJK R，JOSEPHM，et al.Compact asymmetric coplanar strip fed monopole antenna for multiband applications［J］.IEEE Transactionson Antennas and Propagation，2007，55(8)：2351-2357.

［3］ KIMH J，LEEN J，PARKK J，et al.Triple-band antenna with slots for PCS/WLAN/UWB applications［C］∥ Asia Pacific Microwave Conference.2009：2338-2341.

［4］ ANGUERAJ，MARTíNEZE，PUENTEC，et al.Broadband dual-frequency microstrip patch antenna with modified sierpinski fractal geometry ［J］. IEEE Transactions on Antennas and Propagation，2004，50 (1)：66-73.

［5］ MORISHITAH，HIRASAWAK，NAGAOT.Circularly polarised rhombic hula hoop antennas［J］.Electronics Letters，1996，32(2)：946-947.

［6］ 孫曉萌，楊雪霞，王華紅，等.易于集成的高增益雙環形印刷天線［J］.上海大學學報：自然科學版，2010，16 (1)：31-34.

［7］ 周建永，楊雪霞，高艷艷.一種CPS饋電的寬帶圓極化雙菱環天線［J］.無線電工程，2010，40(5)：40-42.

［8］ 任王，鄧俊勇，洪少華，等.無線局域網的雙頻圓極化圓環縫隙天線設計［J］.浙江大學學報：工學版，2008，42(8)：1306-1315.

［9］ TUW H，CHANGK.Wide-band microstrip-to-coplanar stripline/slotline transitions［J］.IEEE Transactions on Microwave Theory and Techniques，2006，54(3)：1084-1089.