基于缺陷地结构的宽带多频天线设计

金 杰 侯梓叶 潘 勇

（1.天津大学电子信息工程学院，天津300072；2.重庆三峡学院计算机学院，重庆404100）

基于缺陷地结构的宽带多频天线设计

金 杰1侯梓叶1潘 勇2

（1.天津大学电子信息工程学院，天津300072；2.重庆三峡学院计算机学院，重庆404100）

提出了一种新的小型化、宽频带的多频微带天线该天线具备三个不同的工作频段，可同时工作在蓝牙、无线射频识别（Radio Frequency Identification Devices，RFID）、无线局域网（Wireless Local Area Network，WLAN）和全球微波互联接入（Worldwide Interoperability for Microwave Access，WiMAX）的通信频段上.该微带天线主要由四个半圆环、一个圆环、一个矩形带以及缺陷地组成.为了获得结构的小型化，通过在四个半圆环中增加一个圆环来激发出该天线的两个谐振频率，通过改进地板为带圆形缺陷的拱结构来获得第三个阻抗匹配良好的频段.实测结果显示：该天线在工作频段具有很好的辐射特性和增益.

天波超视距雷达；小型化多频天线；蓝牙／RFID／WLAN／WiMAX；缺陷地

引 言

随着无线通信尤其是移动通信的迅速发展，无线通信设备成为当今研发的热点.在基站和移动通信设备终端中，天线都是其中必不可少的关键部件之一.天线实现自由空间中传播的电磁波与电路中的电磁信号相互转换的功能，因此，天线的性能好坏直接关系到整个系统通信质量的高低.另外，无线通信技术的快速发展也提出了需要扩大系统容量以及实现双模／多模通信的新要求.早期的单频段通信系统已无法满足实际应用的要求，当前的无线通信系统往往要工作在多个频段上.

现在无线移动通信系统向着小型化、多功能和智能化的方向迅速发展，因而天线也面临着新的要求，即小型化、多频段、宽频带等.近年来出现了一些适用于不同通信标准的单频天线，但是同时适用于蓝牙、无线射频识别（Radio Frequency Identification Devices，RFID）、无线局域网（Wireless Local Area Network，WLAN）和全球微波互联接入（Worldwide Interoperability for Microwave Access，WiMAX）的天线设计却相对较少［1－11］.文献［3-7］提出了不同形状的多频天线，可应用于WLAN／WiMAX或者RFID，具有很好的带宽和辐射特性，但天线尺寸都相对较大，文献［8-10］所提出的微带天线相对尺寸较小，但只有两个可用频段.通过引入缺陷地结构，设计了一款可同时用于蓝牙／RFID／WLAN／WiMAX的三频单极子天线.该天线提供了0.16GHz、0.35GHz和1.56GHz三个阻抗带宽，工作频段分别为2.38～2.54GHz、3.3～3.65GHz和4.85～6.41GHz，中心频率分别为2.47GHz、3.42GHz和5.31GHz.天线的尺寸为38.0mm× 25.0mm×0.8mm.天线由HFSS软件进行仿真并进行了实物制作，实测结果与仿真结果具有非常好的匹配.

1 天线结构与设计

图1给出了三频天线的具体设计结构.天线的主要辐射单元是印刷在介质基板上的四个半圆环，一个圆环以及它们中间的矩形连接带.天线上下两个半圆环的外半径和内半径分别为R1和R2；左右两个半圆环的外半径和内半径分别为R3和R4；中心圆环的外半径和内半径分别为R5和R6；矩形连接带长度为L1＝5.5mm.

平面单极天线的馈电方式主要有微带线馈电、同轴线馈电、共面波导馈电，此外还有应用较少的电磁耦合馈电等，选择合适的馈电方式，对天线的性能有很大的影响.该天线采用50Ω微带线馈电，微带线的长和宽分别是Lf＝13mm、Wf＝2.6mm.

该天线被印制在厚度为0.8mm，相对介电常数εr＝4.4，介质损耗为0.02的FR4的介质板上.介质板的尺寸为38.0mm×25.0mm.矩形地板的大小是6.0mm×25.0mm，天线的详细参数见表1.天线经过优化后，实际制作出的实物图见图2.

图3给出了天线的设计过程以及每一个天线对应的回波损耗特性.辐射单元长度的计算方法是：先由天线有效电长度（辐射贴片带线长度与相应馈电带线长度之和）得到辐射单元的初始长度，再由电磁仿真软件对参数进一步优化.而天线的有效电长度约等于天线谐振时对应工作波长的二分之一，其计算可以参考以下经验公式［12］

式中：Leff是天线有效辐射电长度，mm；fres是谐振频率，GHz；εeff为有效介电常数；c是真空中的光速；h和W分别是介质板厚度和超小A型（SMA）接头处微带线的宽度，mm.

天线最初的设计源于天线I，仅包括一个由两两相同的四个半圆环拼接而成的类似花形的辐射贴片和一个地板，如图3（a）所示，辐射单元通过SMA接头馈电后，电流从馈电点流经带线直至辐射贴片上部大半圆环顶端，该电流流经的路径长为52.25 mm（约0.42λ），如图3（b）所示，此时天线仅工作在一个频段2.31～2.61GHz，谐振频率为2.44 GHz.只可基本覆盖蓝牙工作频段.天线II通过在四个半圆环内部增加一个圆环贴片，可以激发出另一个谐振频率，且天线的表面积大小没有改变.为了获得更好的匹配特性，通过计算比较，四个半圆环和内部圆环连接的带线宽度为2mm，比馈电点到四个半圆环的带线要窄.此时电流从馈电点流经带线直至内圆环顶端，该电流流经的路径长为31.06 mm（约0.34λ），依然可覆盖蓝牙工作频段，同时产生了接近WiMAX工作频段的第二频段.从图中可以看出，天线II的阻抗带宽分别为2.27～2.48 GHz，3.18～3.39GHz，中心频率分别为2.38 GHz，3.26GHz.可以得到结论，在天线的尺寸没有改变的情况下，第一个谐振频率向左移动，等效于天线的尺寸被减小.为了获取第三个工作频段，同时改善上面获得的第二个工作频段.采用缺陷接地结构（Defected Ground Structure，DGS），该结构通过在微带线等传输线接地平面上蚀刻周期性或非周期性图形，来改变接地电流的分布，从而改变传输线的频率特性，可实现抑制谐波，增加带宽等作用.为了获得良好的匹配，在矩形地板上方采用了带圆形缺陷的拱形地结构，缺陷半径R8＝1.9mm，圆形缺陷的尺寸和位置在一定程度上影响了天线的谐振频率和阻抗带宽.

通过在拱形缺陷地结构的合适位置蚀刻圆形缺陷，仿真发现天线出现了第三个频段且带宽较宽，匹配较好，这是因为缺陷地结构可以滤去不希望出现的频率.此时电流从馈电点流经带线直至下半圆环底端，该电流流经的路径长为18.5mm（约0.33 λ），由于缺陷地结构，改变了此处的频率特性.从而获得了第三个频段.最终得到覆盖蓝牙，WLAN和WiMAX工作频段的天线.可见在花形环内部引入圆环带状线以及缺陷地结构，在没有增加整体体积的情况可获得性能较好的多频段天线.

2 实验结果及分析

采用全波仿真软件HFSS对天线进行了模拟仿真，同时使用矢量网络分析对实际制作的天线在暗室中进行了测试.天线测试的实际工作的相对带宽为7.32%（2.37～2.55GHz），12.43%（3.32～3.75GHz）和33.08%（4.74～6.47GHz）.图4是此天线仿真与测试的回波损耗参数的对比曲线，从图上可以看到两者吻合度较高.两者的误差可能是由天线制作上和实验设备上的误差引起的.天线在谐振点处的回波损耗分别为－19.1dB，－20.5dB和－21.1dB，显示出天线良好的匹配特性.

图6 为天线在工作频带内的增益仿真与测试结果.在2.3～2.6GHz频段，天线的增益相对稳定，增益变化为0.85dBi，2.3GHz时增益最大为2.88 dBi.在3.3～3.7GHz频段，天线的增益同样相对稳定，增益变化为0.62dBi，3.7GHz时增益最大为2.64dBi.与低频段相比，4.8～6.4GHz频段天线的最大增益和增益变化都相对较大，在5.5GHz时获得最大增益为5.22dBi，增益变化为2.41dBi，并且天线增益的测试与仿真结果吻合较好.天线的增益满足无线通信的要求.

3 结 论

提出了一种小型化三频段天线，可同时工作在蓝牙、RFID、WLAN和WiMAX的工作频段.该天线主要由四个半圆环、一个圆环、一个矩形带以及缺陷地组成.在保证天线尺寸不增大的情况下，通过在四个半圆环中增加一个圆环来激发出天线的两个谐振频率.通过改进地板为带圆形缺陷的拱形结构来获得第三个阻抗匹配良好的频段.同时天线具备尺寸小、高增益、较好的辐射特性等优点，适用于当前应用的无线通信系统.

［1］ LIU H W，KU C H，YANG C F.Novel CPW-fed planar monopole antenna for WiMAX／WLAN applications［J］.IEEE Antennas Wireless Propagation Letter，2010，9：240-243.

［2］ 金 杰，韩 杰，李可佳，等.基于矩量法的螺旋天线设计［J］.电波科学学报，2011，26（5）：1003-1007.JIN Jie，HAN Jie，LI Kejia，et al.Design on helical antenna based on MoM［J］.Chinese Journal of Radio Science，2011，26（5）：1003-1007.（in Chinese）

［3］ LI Xin，HU Wei，WANG Yafang，et al.Printed triple-band rectangular ring monopole antenna with symmetrical L-strips for WLAN／WiMAX applications［J］.Microwave and Optical Technology Letters，2012，54（4）：1049-1052.

［4］ YANG Tang，TIAN Xiaojian.A novel heart-shaped monopole antenna for UWB and RFID applications［J］.Microwave and Optical Technology Letters，2011，53（10）：2288-2291.

［5］ REN Xueshi，YIN Yingzeng，ZHENG Shufeng，et al.Triple-band rectangular ring monopole antenna for WLAN／WiMAX applications［J］.Microwave and Optical Technology Letters，2011，53（5）：974-978.

［6］ 苗卫强，鲁宇明.覆盖WLAN／WiMAX的多频微带天线设计［J］.南昌航空大学学报，2013，27（3）：82-86.MIAO Weiqiang，LU Yuming.Design of multi-band microstrip antenna for WLAN／WiMAX［J］.Journal of Nanchang Hangkong University，2013，27（3）：82-86.（in Chinese）

［7］ 王安国，陈 彬，冷 文，等.一种小型化五频段可重构蝶形天线的设计［J］.电波科学学报，2013，28（1）：87-91.WANG Anguo，CHEN Bin，LENG Wen，et al.Design of a compact bowtie antenna with five-band reconfigurable characteristic［J］.Chinese Journal of Radio Science，2013，28（1）：87-91.（in Chinese）

［8］ 褚庆昕，叶亮华.用于WLAN／WiMAX的双频紧凑型天线［J］.电波科学学报，2010，25（5）：893-898.CHU Qingxin，YE Lianghua.Compact dual-band antenna for WLAN／WiMAX application［J］.Chinese Journal of Radio Science，2010，25（5）：893-898.（in Chinese）

［9］ KOOHESTANI M，AKBARI M.，KHALILPOUR J.A new compact dual-wideband printed monopole antenna for WLAN／WiMAX applications［J］.International Journal of RF and Microwave Computer-Aided Engineering，2011，21（6）：674-679.

［10］ 李晓东.应用于WLAN和WiMAX的双频带印刷天线设计［J］.电子科技，2013，26（10）：142-144.LI Xiaodong.Design of a dual-band printed antenna for WLAN／WiMAX applications［J］.Electronic Science Technology，2013，26（10）：142-144.（in Chinese）

［11］ 肖绍球，王秉中.微带可重构天线的初步探讨［J］.电波科学学报，2002，17（4）：386-390.XIAO Shaoqiu，WANG Bingzhong.Preliminary research on microstrip reconfigurable antenna［J］.Chinese Journal of Radio Science，2002，17（4）：386-390.（in Chinese）

［12］ 王安国，蔡晓涛，冷 文.带寄生贴片的圆盘形方向图可重构天线设计［J］.电波科学学报，2011，26（6）：1181-1186.WANG Anguo，CAI Xiaotao，LENG Wen.Design of a circular disc-shaped pattern reconfigurable antenna with parasitic patch［J］.Chinese Journal of Radio Science，2011，26（6）：1181-1186.（in Chinese）

Design of broadband multi-frequency antenna based on the defected ground plane

JIN Jie1HOU Ziye1PAN Yong2
（1.School of Electronic and Information Engineering，Tianjin University，Tianjin300072，China；2.School of Computer Science and Engineering，Chongqing Three Gorges University，Chongqing404100，China）

A new miniaturized wide-band multi-frequency antenna is proposed.The proposed antenna can generate three separate impedance bandwidths to cover all the 2.4／5.8GHz Bluetooth／WLAN／RFID operating bands and the 2.5／3.5／5.5GHz WiMAX bands.The proposed microstrip-fed antenna mainly consists of four semicircular rings，a circular ring，a rectangle strip，and a defected ground plane.By adding a circular ring in the four semicircular rings，the antenna excites two resonant modes and is with miniaturization structure.Because of the introduction of the cambered ground plane with an circular-defect，the third wide band with better impedance matching is obtained.A prototype is experimentally tested，and the measured results show good radiation patterns and enough gains across the operation bands.

sky-wave over-the-horizon radar；miniaturized multi-frequency antenna；bluetooth／RFID／WLAN／WiMAX applications；defected ground plane

TN82

A

1005-0388（2015）01-0104-05

金 杰 （1962－），女，辽宁人，博士，天津大学电子信息工程学院教授，博士研究生导师，主要研究领域为电磁场与微波.

侯梓叶 （1989－），女，河北人，天津大学电子信息工程学院硕士研究生，主要研究领域为天线理论研究与设计.

潘 勇 （1981－），男，重庆人，重庆三峡学院计算机学院讲师，博士，主要研究领域为物联网通信、天线理论与设计.

金 杰，侯梓叶，潘 勇.基于缺陷地结构的宽带多频天线设计［J］.电波科学学报，2015，30（1）：104-108.

10.13443／j.cjors.2014033101

JIN Jie，HOU Ziye，PAN Yong.Design of broadband multi-frequency antenna based on the defected ground plane［J］.Chinese Journal of Radio Science，2015，30（1）：104-108.（in Chinese）.doi：10.13443／j.cjors.2014033101

2014-03-31

国家自然科学基金（60777014）；高等学校博士学科点专项科研基金（20090032110027）联系人：金杰E-mail：jinjie＠tju.edu.cn