用于無線局域網的三頻印刷天線設計

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）

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用于無線局域網的三頻印刷天線設計

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）

摘要：設計一種三頻印刷天線，利用在輻射貼片上開槽和添加枝節的方法，實現在無線局域網（WLAN）系統工作的要求。這種天線的帶寬分別是210 MHz（2.31～2.52 GHz）和1.95 GHz（4.30～6.25 GHz），有效覆蓋了WLAN的2.4 GHz、5.2 GHz和5.8 GHz 3個頻段。在不同頻點對天線的表面電流進行了分析和討論。實測結果表明：這種天線具有良好的遠場輻射特性，其增益可達5.2 dB。

關鍵詞：三頻印刷天線；開槽；枝節；電流分布；無線局域網

微帶天線具有體積小、重量輕、易共形等優點，在移動通信、衛星通信、廣播電視等方面都有廣泛的應用。由于無線電系統的快速發展，人們對天線的要求也越來越高，單一頻段的天線已不能滿足社會的需求。無線局域網（wireless local area network，WLAN）的出現正逐步取代舊的有線網絡模式，實現無地域限制的無線信號連接。目前的無線局域網主要工作在2.45 GHz（2.4～2.484 GHz）、5.25 GHz（5.15～5.35 GHz）和5.8 GHz（5.725～5.825 GHz）3個頻段[1-2]，可以同時工作在無線局域網多個頻段的天線是目前國內外學者的研究熱點。多頻天線的實現方式有很多種，一般比較常用的是輻射貼片和接地板開槽技術、短路探針加載、多層介質結構和多層金屬貼片技術[3]。本文利用2個輻射單元，通過開槽和添加枝節，設計了一個可以同時工作在WLAN 3個頻段內的天線。這種天線具有結構簡單、設計方便等優勢，在實際應用中有重要的使用價值。

1　天線結構設計

微帶天線的輻射是由天線導體邊緣與地板之間的場產生的。Zhu[4]在他提出的場論中詳細研究了微帶天線的不連續性輻射，他的分析基礎是導體中的電流。這種方法也可用于研究輻射對微帶天線品質因數的改變與作用方面。由此分析，輻射對品質因數等的影響可以描述為工作頻率、基片厚度、相對介電常數及諧振器尺寸的函數[5]。理論和實驗結果都表明，在高頻段時，天線輻射的損耗要遠大于導體和介質的損耗；而基片越厚，開路的微帶線輻射越強。

將矩形微帶貼片天線作為分析對象，運用傳輸線模型法分析微帶天線的輻射原理。假設矩形微帶天線輻射單元的長和寬分別為L和W，介質基片厚為h，工作波長為λg，這時可將微帶天線看作一個2端斷開形成開路的長L為λg/2的微帶傳輸線[6-7]。接地板與介質基片的電場在貼片厚度h和寬度W的方向上并無變化，而是僅沿長度L方向進行變化，因此輻射場可以看作是由貼片沿長度L方向上開路端的邊緣場引起的。這時，將邊緣場分解為水平分量和垂直分量，由于L≈λg/2，所以水平方向上的電場分量是同相的，而2開路端的垂直方向上的電場分量方向相反，該分量產生的場會相互抵消。因此，矩形微帶天線可看作為無限大的平面上進行同相激勵的2個縫隙，2個縫隙寬度近似等于介質板的厚度[8]。遠區輻射場主要由該分量場產生，最大輻射方向在垂直于貼片的方向，微帶天線的輻射可以看作由2個縫隙組成的二元陣。

為實現天線在多個頻段工作的目的，本文在微帶天線的結構基礎上進行改進，設計了2個輻射單元結構，如圖1所示。天線印刷在介質基板上，介質基板采用相對介電常數為4.4的FR4材料，基板的長寬高尺寸為L×W×H。介質基板上表層形狀如圖中灰色部分顯示，其中陰影部分表示接地板。該天線主要由介質基板、輻射貼片、微帶饋電線和接地板組成。接地板長寬尺寸為L2×W，微帶饋線長寬尺寸為L1×W1，其中輻射貼片是由一個未封閉環狀結構和一個h形結構組成。h形結構由3個小矩形合并而成，寬度都為w，未封閉環狀結構由一個矩形和一個圓環組成。大圓半徑為R1，在大圓內切掉一個半徑為R2的小圓，并且在環狀結構右上方開一個長寬尺寸為L6×W3的矩形槽。圖中O點為圓心和環狀結構矩形中點。

圖1　天線結構圖

2　天線結構分析

通過HFSS軟件對所設計的天線進行設計，當輻射貼片只是一個圓形和一個矩形的組合時，其對應的S11曲線如圖2所示。可見此時天線只有一個諧振頻率，在5 GHz附近，是一個單頻印刷天線。從圖2中可以看出天線-10 dB帶寬范圍為3.9～6.1 GHz。為減小天線體積，采用在輻射貼片上開槽的方法來實現雙頻。當在圓形和矩形組合輻射貼片上開一個圓形槽時，天線帶寬有輕微的縮小和向左偏移的趨勢，由3.9～6.1 GHz變為3.7～5.7 GHz，天線的S11曲線圖如圖3所示；當圓形槽半徑變化時，天線帶寬變化如圖4所示，圓形槽半徑越大，天線頻帶越往左偏移。

圖2　簡單單頻天線S11圖

圖3　開有圓形槽的單頻天線S11圖

當在開完圓形槽的輻射貼片上增加一個倒置的L形結構時，由于給天線增加了一個調諧枝節，天線由單頻轉變為雙頻，外圍的環狀結構確定中心頻點在4.7 GHz左右，而中間的L形結構決定中心頻點位于6.1 GHz，其結果如圖5所示。這種天線結構下的-10 dB帶寬范圍為3.7～5.1 GHz和5.85～6.6 GHz。

由圖5可知天線頻段總體偏高，為達到設計要求，將倒置的L形調諧枝節轉換為h形枝節，天線總體頻段有所下降，結果如圖6所示。環狀結構直接控制著天線在低頻段3.7～4.38 GHz的頻率響應，h形結構控制可對高頻段4.68～6.05 GHz進行調制，其中高頻段適用于無線局域網通信系統。由于4.3 GHz頻段應用率較低，因此采用在環狀結構輻射貼片上開矩形槽的方法，降低低頻段頻率，使天線低頻段中心頻率控制在2.4 GHz。未封閉結構天線S11圖如圖7所示，經過開矩形槽后，天線的2個頻段分別為2.31～2.52 GHz 和4.3～6.25 GHz，完全覆蓋無線局域網系統的3個頻段。

圖4　S11隨半徑R2的變化圖

圖5　圓形槽內加到L枝節天線S11圖

圖6　圓形槽內加h形枝節天線S11圖

圖7　未封閉結構天線S11圖

天線貼片金屬上的電流分布如圖8所示。當f = 2.4 GHz，天線的最大電流分布主要集中在左側，如圖8（a）所示。由于矩形槽的存在使電流被截斷，從而無法和右側構成電磁回路，電流僅在左側進行振蕩。當f = 5.2 GHz，最大電流分布主要集中在h形結構上，如圖8（b）所示。此時，兩邊的電流分布非常微弱，顯然是單一的模式。當f = 5.8 GHz，天線的最大電流基本分布在右側，而左側也存在一部分比較大的電流，二者對5.8 GHz時的電磁向外輻射起到共同影響的作用，電流分布情況如圖8（c）所示。

圖8　天線在不同頻點的電流分布圖

3　實驗結果

根據分析，選擇最佳天線結構設計結果，得出天線參數如表1所示。分別選取工作頻段內的2.4 GHz、5.2 GHz和5.8 GHz作為參考頻率點，對天線的遠場輻射特性進行仿真。通過xOy和yOz平面可觀察天線的遠場輻射特性，其遠場方向圖如圖9所示。由圖9可看出，在2.4 GHz、5.2 GHz和5.8 GHz工作頻段內，天線具有很好的全向輻射特性。

表1　優化后的天線參數mm

根據表1的天線尺寸，做出相應的天線實物，如圖10所示。采用AV3629高性能射頻一體化矢量網絡分析儀對天線反射系數和電壓駐波比進行測試，測試結果如圖11和圖12所示。將相同幾何參數天線的仿真曲線放在圖中進行對比可知，雖有部分誤差存在，但二者整體保持一致。

圖11　天線S11曲線實測和仿真對比圖

圖12　天線VSWR曲線實測和仿真對比圖

4　結束語

本文設計了一個應用于WLAN系統中的三頻天線，天線在WLAN規定使用的2.4 GHz、5.2 GHz和

5.8GHz頻段上具有較寬的帶寬，方向圖和增益達到要求，利用2個輻射單元就可覆蓋WLAN的3個頻段，結構簡單，設計方便。

參考文獻：

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A tri-band printed antenna designed for WLAN

WAN Xiao-feng，ZHENG Hong-xing，ZHANG Yu-xian
（Institute of Antenna and Microwave Techniques，Tianjin University of Technology and Education，Tianjin 300222，China）

Abstract：A tri-band printed antenna is designed in this paper.By using slotted and added minor on the radiation patch，the requirements for implementation in wireless local area network（WLAN）systems are realized.The bandwidth is 210 MHz（2.31-2.52 GHz）and 1.95 GHz（4.30-6.25 GHz），covered 2.4 GHz，5.2 GHz and 5.8 GHz of the WLAN.In this paper，the surface current of the antenna is analyzed and discussed at different frequency points.Experimental results show that the antenna is with good far field radiation characteristics，and the corresponding gain up to 5.2 dB.

Key words：tri-band printed antenna；slotting；minor；current distribution；wireless local area network（WLAN）

作者簡介：萬小鳳（1990—），女，碩士研究生；鄭宏興（1962—），男，教授，博士，碩士生導師，研究方向為天線、微波電路及計算電磁學.

基金項目：國家自然科學基金資助項目（61371043）.

收稿日期：2015-09-10

中圖分類號：TN822

文獻標識碼：A

文章編號：2095－0926（2016）01－0014－04