平面小型化三频微带天线

王公晗，冯全源

（西南交通大学信息科学与技术学院，四川 成都610031）

0 引言

近年来，随着无线通信的迅速发展，各类天线的发展也受到越来越多的关注。其中，由于单极子微带贴片天线具有成本低、便于制作以及全向辐射方向图等优点，而被广泛应用于多频天线的设计中。目前已经有各式各样的应用于无线通信系统的单极子天线。

单极子微带天线的小型化［1-2］特性可以通过多种方法获得，在文献［1］中，采用了螺旋形光子晶体结构，实现了微带天线的小型化设计。而文献［2］，则是采用超材料结构，实现天线的小型化。同时，人们也在不断研究实现天线多频［3-6］的方法。在文献［3］中，通过在矩形辐射板周围加载多个金属环，并采用微带线进行非接触耦合馈电的方法，有效实现了天线的多频段设计。但是，上述的小型多频微带天线设计技术一般来说多频带宽通常都比较窄。所以一些学者在保证带宽性能的情况下，提出结构新颖且性能优异的小型化多频天线［4-9］。文献［4-7］中采用增加寄生谐振单元的方法，可以有效地减小天线尺寸，实现天线的多频特性。文献［7］中采用E型寄生单元实现天线的多频带，并且结构简单。而文献［8-9］，则是采用加载超材料单元模块，实现天线的多频带，同时能够更有效地实现天线的小型化。但是以上天线因为采用寄生模块实现天线的多频小型化，所以结构一般比较复杂。

基于以上分析，本文针对微带多频天线尺寸较大、结构复杂的问题，设计了一种小型多频微带天线，通过加载倒L 型结构的分支，并利用低频段的高次模，实现天线的多频特性。所设计的天线在结构上保持了低剖面、结构简单、馈电方便等优点的同时，不仅能够保证天线多频段工作的特点，而且天线保证了其良好的辐射性能。这种天线能够很好地适用于多频无线移动通信系统中。

1 微带贴片天线的辐射原理

一个简单的微带矩形贴片天线是由辐射元、介质层和参考地三部分组成。介质层的厚度h一般远远小于自由空间的波长λ。对于矩形微带天线，理论分析时可以采用传输线模型来分析其性能。矩形微带贴片天线的工作主模式是TM10模，意味着电场在长度L 方向上有λg／2的改变，而在宽度W 方向上保持不变，如图1（a）所示，在长度L 方向上可以看作成有两个终端开路的缝隙辐射出电磁能量，在宽度W 方向的边缘处由于终端开路，所以电压值最大电流值最小。从图1（b）可以看出，微带线边缘的电场可以分解成垂直于参考地的分量和平行于参考地的分量两部分，两个边缘的垂直电场分量大小相等、方向相反，平行电场分量大小相等、方向相反；因此，远区辐射电场垂直分量相互抵消，辐射电场平行于天线表面。

图1 矩形微带贴片天线的俯视图和侧视图Fig.1 The plan view and the side view of rectangular microstrip patch antenna

假设矩形贴片的有效长度设为Le，则有

式（1）中，λg表示导波波长，有

式（2）中，λ0表示自由空间波长；εe表示有效介电常数，且

式（3）中，εr表示介质的相对介电常数；h 表示介质层厚度；W 表示微带贴片的宽度。

2 倒L分支结构三频天线设计

图2是本文提出的单极子多频天线。该天线采用50Ω 微带线馈电，其天线辐射单元主要由双C 型结构和加载倒L型结构构成。并且印刷在相对介电常数为4.4，损耗角正切值为0.02，尺寸大小为20×31×1.6mm3的FR4＿epoxy基板上。通过电磁仿真软件HFSS 优化得出的参数如下：L =31 mm，W =20mm，L1=8.6mm，L2=13.5mm，L3=7 mm，L4=5mm，Ws=3mm，W1=9mm，W2=5.5mm，S=2.5 mm，S1=1 mm，G=0.5 mm，G1=0.5mm，G2=3mm。

图2 天线结构图与实物Fig.2 Geometry of the proposed antenna and photograph of the fabricated antenna

图3 天线的S11 参数仿真与实测曲线图Fig.3 Measured and simulated S11 for the proposed antenna

图3给出的是天线S11参数的仿真结果与实测结果。从图中可以看出，该天线的实测工作频段为：2.40～2.50 GHz，3.17 ～3.9 GHz，4.67 ～5.83 GHz，实现了对WIMAX 3.5GHz／5.5GHz频段和WLAN 2.4GHz／5.2GHz／5.8GHz频段的全覆盖。

由图3可知，天线的第一个频点是由对称的双C型辐射单元产生的，第二个频点是由加载的倒L型辐射单元产生的，而第三个频点则是由第一个频点的高次模产生的。该天线采用分支结构，辐射原理简单，有效地实现天线的多频段特性，并且实现结构上的简化。

3 仿真结果与分析

3.1 天线电流表面分布

图4 所示为该天线在2.56 GHz、3.49 GHz、5.45GHz的电流分布情况。由图可知，在不同的谐振模式下，天线的表面电流分布完全不同。在2.56 GHz处，天线表面电流从馈电端口出发，主要集中在双C型辐射单元的内边沿，其电流路径长度可表示为Lf-L+Wg／2+L1+W1+L4=46.4mm，约为2.55GHz对应波长的0.25倍（四分之一波长谐振），由此表明，2.55GHz谐振模式主要由双C型辐射单元产生。

图4 天线电流表面分布图Fig.4 Simulated surface current distributions of the designed antenna

在3.46GHz处，天线表面电流大部分分布在倒L型分支结构。该天线在3.46GHz周围获得较宽的工作频段，以满足3.5GHz WiMAX的应用需求。在5.45GHz处，天线的表面电流主要集中在双C型辐射单元的顶部弯曲部分，由此可见，该谐振点主要由双C型辐射单元的高次模产生，进而获得宽频带特 性（5.1 ～6.0 GHz），以 满 足5.2／5.8 GHz WLAN 和5.5GHz WiMAX 的应用需求。

3.2 参数分析

为了更好地分析天线的辐射性能，本文分别给出了天线参数Ws，G2，S1对S11参数的影响。由于馈线对天线性能影响较大，故首先分析了馈线宽度Ws对天线S11参数的影响。如图5所示，随着馈线宽度Ws逐渐变宽，天线在三个频点处的阻抗匹配变好，但是天线在高频段的带宽变窄。当Ws=3mm 时，天线在三个工作频段范围内其性能达到最优。图6给出了天线C型辐射单元参数G2对S11参数的影响，从图中可以看出，随着天线参数G2从1mm 变化到3mm，天线的三个频点向着高频方向移动。当G2=3mm 时，天线的三个频段能够满足设计要求。

如图7所示，随着参数S1的增加，天线的第一个频点升高，而其他频点基本上不变。这是由于第一个频点是由双C型辐射单元产生的，当S1增加时，双型C型辐射单元的有效电长度相对减小，从而导致了天线的频点升高。

图5 参数Ws 对S11 的影响Fig.5 Simulated S11for the proposed antenna with different Ws

3.3 天线辐射特性与增益

图8 所示的是天线的增益图，从图中可见，在2.40～2.70GHz、3.30～3.80GHz、5.10～5.90 GHz频率范围内，仿真的平均增益分别为1.39dB、1.12dB、2.13dB。图9给出了天线在2.55GHz，3.45GHz，5.45GHz处E 面（y-z 平面）和H 面（x-z 平面）的辐射方向图。从图中可以看出该天线呈现出单极子天线的辐射特性，即在E 面，方向图呈现“8”字型，在H 面呈现全向性，说明此天线具有良好的辐射特性。

图6 参数G2对S11的影响Fig.6 Simulated S11for the proposed antenna with different G2

图7 参数S1对S11的影响Fig.7 Simulated S11for the proposed antenna with different S1

图8 天线增益图Fig.8 simulated peak gain

图9 天线的辐射方向图Fig.9 simulated radiation patterns

4 结论

本文在双C型天线的结构基础上，采用加载倒L型分支结构的方法，实现了天线的小型化以及多频特性。天线的尺寸仅为20×31×1.6mm3，实现了小型化。仿真结果表明天线的工作频段为2.38-2.69GHz，3.29～3.9GHz，5.07～6.0GHz，由于加工存在误差，最后天线的实测结果为2.40～2.50 GHz，3.17～3.90GHz，4.67～5.83GHz，能够有效满足WLAN 的大部分频段及WIMAX 全部要求的工作频带范围。本文通过对天线的回波损耗、表面电流、天线的辐射方向图和增益等研究可知，该天线具有体积小、结构简单、辐射特性良好，适合于无线通信系统的应用。

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