一種用于WiFi頻段的小型化雙頻天線

王利紅,孫慧萍，孫彩鋒

(山西大同大學物理與電子科學學院，山西大同037009)

一種用于WiFi頻段的小型化雙頻天線

王利紅,孫慧萍，孫彩鋒

(山西大同大學物理與電子科學學院，山西大同037009)

基于無線WiFi網絡的應用，本文提出了一種用于WiFi頻段的小型化雙頻天線。該天線由微帶饋線、介質基板和地三部分組成，通過在地面開“王”型縫隙并改變其尺寸就可實現天線的小型化和雙頻段，該天線尺寸為24×13 mm2，介質基板厚度為1.2 mm，工作頻段為2.27～2.55 GHz和5.63～5.87 GHz。最后對制作的實物進行測量，測量結果與仿真結果基本吻合。

WiFi；微帶天線；雙頻段；小型化

WiFi是連接上網的常用方式，隨著寬帶無線接入技術的飛速發展及應用，人們對無線連接的速度、穩定性等方面的要求越來越高，于是更高頻段的5 GHz WiFi便應運而生，結合原有的2.4，可以組成雙頻WiFi。根據IEEE 802.11b/g和IEEE 802.11ac/n協議標準，WiFi低頻工作范圍為2.4～2.4825 GHz，高頻工作范圍為5.15～5.825 GHz，其中高頻段常用的是5.725～5.825 GHz。

目前小型化雙頻WiFi天線的研究已成為一種熱點，文獻[1]給出了一種寬帶多頻WiFi天線，該天線采用耦合貼片加載的方法拓寬了高頻段的帶寬，但其尺寸相對較大。文獻[3]提出了一種應用于WiFi頻段的單頻天線(2.4 GHz)，帶寬42 MHz，尺寸39×19.3 mm2。本文利用微帶天線技術，提出了一種適用于WiFi頻段的小型化雙頻天線，并采用三維電磁仿真軟件HFSS對影響高頻和低頻的參數進行了分析。

1 天線設計

本文設計的天線結構如圖1所示，圖1(a)是天線的50歐微帶饋線，位于介質基板的上表面，尺寸為15.4×2.4 mm2；圖1(b)是天線開有“王”型縫隙的地，位于介質基板的下表面，通過改變此縫隙的形狀和尺寸可改變天線的工作頻段和實現天線的小型化；天線采用了介電常數為4.4，厚為1.2 mm的RF4介質基板，尺寸為24×12 mm2。

圖1 天線結構示意圖

2 天線性能分析

2.1 天線的電流分布

圖2是天線分別工作在2.4 GHz和5.8 GHz時的電流密度分布圖。由電流分布可知高頻段的諧振頻率主要受l2、w3、l5和w5這些參數的影響，低頻段的諧振頻率主要受l7和w7的影響。

圖2 天線的電流密度分布

2.2 天線的S參數分析

圖 3～圖 6 分別給出了不同l2、w3、l5和w5值時天線的S參數仿真結果，由圖可以看出這四個參數只影響高頻段的諧振頻率fH。l2、l5和w5的值越大，fH越小，w3的情況則相反。當l2從14 mm增加到17 mm時，fH從5.9 GHz減小到了5.6 GHz；l5從8.6 mm增加到14.6 mm，fH從6.1 GHz減小到了5.4 GHz；w5從0.4 mm增加到0.7 mm，fH從5.9 GHz減小到了5.6 GHz；w3從1.3 mm增加到1.9 mm，fH從5.7 GHz增加到了6 GHz。考慮到WiFi頻段的標準，l2、w3、l5和w5的值分別選 15 mm、1.5 mm、12.6 mm和0.5 mm，此時fH為5.8 GHz。

圖3 不同l2值時天線的S參數

圖4 不同w3值時天線的S參數

圖5 不同l5值時天線的S參數

圖6 不同w5值時天線的S參數

圖7和圖8分別給出了不同l7和w7值時天線的S參數仿真結果。可以看出，l7和w7主要影響低頻段的諧振頻率fL，對高頻段fH幾乎沒有影響，隨著l7和w7的增加，低頻段fL逐漸減小。當l7從8 mm增加到11 mm時，fL從2.6 GHz減小到了2.3 GHz，w7從1.1 mm增加到1.7 mm，fL從2.8 GHz減小到了2.3 GHz。考慮到WiFi頻段的標準，l7和w7的值分別選10 mm和1.5 mm，此時fL為2.4 GHz。

圖7 不同l7值時天線的S參數

圖8 不同w7值時天線的S參數

優化后天線的具體尺寸見表1。

表1 天線結構參數

最后對天線實物的S參數進行了分段測量，圖9是仿真和測量的天線S參數圖，由圖可見，天線低頻段諧振于2.4 GHz，工作頻段為2.27～2.55 GHz，帶寬為280 MHz，高頻段諧振于5.8 GHz，工作頻段為5.63～5.87 GHz，帶寬為240 MHz。實測曲線與仿真結果基本吻合。工作頻帶可以覆蓋WiFi(2.4～2.484 GHz、5.725～5.825 GHz)頻 段 ，符 合 設 計要求。

圖9 仿真和測量的S參數圖

2.3 天線的輻射方向圖

圖10和圖11為仿真的天線輻射方向圖。由圖可以看出，天線兩個頻點的輻射特性基本相似，方向性比較穩定，在工作頻段內也幾乎實現了全向性。另外，天線H面的交叉極化要比E面交叉極化好，低頻處交叉極化要比高頻處好。

圖10 2.4GHz處仿真的天線輻射方向圖

圖11 5.8 GHz處仿真的天線輻射方向圖

本文利用微帶天線技術，提出了一種適用于WiFi頻段的小型化雙頻天線，天線結構簡單緊湊，尺寸為24×13 mm2，介質基板厚度為1.2 mm。通過在地面開“王”型縫隙并改變其尺寸實現了天線的小型化和雙頻段的特性，同時對影響高頻和低頻的參數進行了分析。仿真與測量結果顯示，天線在2.4 GHz諧振點的工作頻段為2.27～2.55 GHz，帶寬為280 MHz，5.8 GHz諧振點的工作頻段為5.63～5.87 GHz，帶寬為240 MHz，具有較好的輻射特性，適合在無線通信終端中使用。

3 結語

[1]陳利鋒,熊祥正.新型寬頻帶多頻段WiFi天線的設計[J].現在電子技術,2013,36(7)：86-88.

[2]陳雪,張文梅.一種適用于無線通信系統的小型微帶天線設計[J].測試技術學報,2013,27(1)：56-60.

[3]劉昕,劉楊.一種應用于WiFi頻段的小型化天線設計[J].數字通信,2014,41(6)：59-61.

[4]崔勇,王勇,楊世武.應用于WiFi頻段的背腔式縫隙天線設計[J].電波科學學報,2016,31(1)：150-156.

[5]Hau Wah Lai,Hang Wong.Substrate Integrated Magneto-Electric Dipole Antenna for 5G Wi-Fi[J].IEEE TRANSACTIONS ON ANTENNAS AND PROPAGATION,2015,63(2)：870-874.

[6]Ying Liu,Antao Bu,Shuxi Gong.Integrated Internal GSM850/GSM900/DCS/PCS and Wi-Fi Antennas for Mobile Telephone[J].International Symposium on Microwave,Antenna,Propagation,and EMC Technologies for Wireless Communications,2007,24(3)：652-655.

A Compact Dual-frequency Antenna for WiFi Bands

WANG Li-hong,SUN Hui-ping,SUN Cai-feng
(School of Physics and Electronics Science,Shanxi Datong University,Datong Shanxi,037009)

A compact dual-frequency patch antenna suitable for WiFi bands was proposed on the basis of application of wireless WiFi network.It consists of a microstrip feed line and a ground plane printed on substrate with a thickness of 1.2 mm.The miniaturization and dual-frequency of antenna are rehzed by etching wang-shaped slot onground and adjusting its size.The designed antenna has a small size of 24 ×13 mm.Lastly，the antenna is fabricated and measured，and the measured results are in good agreement with the simulated results.The simulated and measured results show that it can operate from 2.27-2.55 GHz and 5.63-5.87 GHz.

WiFi；microstrip antenna；dual-frequency；miniaturization

TN821+.3

A

1674-0874(2017)06-0028-04

2017-06-30

山西省科技攻關項目[2015031002-1]；山西大同大學2016年度青年科研基金項目[2016Q5]

王利紅(1986-)，女，山西呂梁人，碩士，助教，研究方向：射頻與微波通信。

〔責任編輯 高彩云〕