一种新颖的双频微带天线设计

赵欢欢，姚爱琴，孙运强

(中北大学 仪器科学与动态测试教育部重点实验室，山西 太原 030051 )



一种新颖的双频微带天线设计

赵欢欢，姚爱琴，孙运强

(中北大学 仪器科学与动态测试教育部重点实验室，山西 太原 030051 )

摘要：为了满足WLAN和WiMAX双频无线通信，设计了一种结构简单的1/5双频微带贴片天线，该天线采用50 Ω微带线馈电，集总端口激励方式。通过HFSS13.0仿真分析，天线可同时工作于WiMAX(5.25 GHz)和WLAN(2.45 GHz)频段。仿真结果显示，优化后的天线在2.45 GHz和5.25 GHz频段的相对带宽分别为10%和22%,最大增益分别为2.33 dB和3.10 dB。带宽满足微带天线带宽的要求，且天线的辐射特性良好，结构简单,易于生产，有很大的应用前景。

关键词：双频微带天线；带宽；仿真

0引言

随着无线通信技术的快速发展，产生了多种通信协议。其中无线局域网(WLAN)是基于IEEE802.11b/g标准(2.4～2.484 GHz)和802.11a(5.15～5.35 GHz,5.725～5.875 GHz)的计算机局域网，被广泛应用于各种无线通信网络中。而WiMAX(Worldwide Interoperability for Microwave Access),即全球微波互联接入是基于IEEE802.16标准(2～66 GHz),主要工作在2.5 GHz频段(2.50～2.69 GHz)，3.5 GHz频段(3.40～3.69 GHz)和5.5 GHz频段(5.25～5.85 GHz)。WiMAX可以为高速数据应用提供更出色的移动性。

随着人们对通信质量和通信设备的集成要求不断增强。作为通信设备子部件，天线也需要更高的性能以满足通信系统的需要。微带天线有着体积小、重量轻、低剖面、制作简单、易于共形、易于集成、便于实现极化和双多频等多种特点[1-3]，已得到广泛的关注和应用。小型化宽频带和多频带微带天线已成为一种发展趋势。

微带天线[4]实现双频工作的方法有很多，根据不同的尺寸及性能要求，实现双频工作的方法也不尽相同。一般实现双多频共作的方式[5]有：多层贴片[6]、多模正交[7]、缝隙加载和加载集总元件等。文献[8]采用弯折开槽缝隙加载结构的微带天线实现 DCS和 WLAN 的双频工作特性，文献[9]提出了应用与WLAN及WiMAX的双频微带天线，辐射特性良好，但尺寸偏大，文献[10,11]是采用树状分形的方法设计性能良好的双频天线。

本文提出一种变形的微带贴片天线，采用50 Ω 微带线馈电，使用集总端口激励的方式，通过Ansoft的HFSS软件仿真分析，天线可同时工作在WLAN(2.45 GHz)和WiMAX(5.15 GHz)。优化后的天线在2.45 GHz和5.25 GHz频段的相对带宽分别为10%和22%，带宽满足微带天线带宽的要求，且天线结果相对简单，辐射性能良好。

1天线结构与设计

天线结构如图1所示，包括介质层、微带馈线、参考地和贴片1/5部分。介质层的材质使用的是Rogers RO4003,其相对介电常数为εr=3.38，损耗正切tanδ=0.002 7，介质层厚度为1.52 mm。介质层的下表面是天线的参考地，上表面为微带馈线和天线。

图1　天线结构示意图

由于天线的谐振频率与天线尺寸有很大关系，通过调整矩形贴片的设计参数达到调整谐振频率的目的。辐射贴片尺寸与谐振频率的关系如下:

(1)

辐射单元长度：

(2)

有效介电常数

(3)

上述公式在没有改变形状的矩形辐射贴片中近似成立，只能作为天线设计的初值。而辐射贴片的尺寸大小需要通过仿真分析来确定。通过电磁仿真软件 HFSS 13.0 对天线建模仿真，对各个参数进行优化分析，最终确定天线性能较好的一组参数值，天线参数如表1所示。

表1　天线参数尺寸/mm

2天线的仿真与优化

HFSS - High Frequency Structure Simulator,是Ansoft 公司推出的三维电磁仿真软件,是世界上第一个商业化的三维结构电磁场仿真软件，业界公认的三维电磁场设计和分析的工业标准。HFSS能够快速精确地计算各种射频/微波部件的电磁特性，得到S参数、传播特性、高功率击穿特性和优化部件的性能指标，并进行容差分析。

图2是通过HFSS13.0仿真分析的天线S11结果图，在其他参数不变的情况下，改变矩形辐射贴片L2的尺寸，从图中可以看出回波损耗S11的变化情况。当L2增加时，天线的高频谐振点逐渐变大，而f=2.45 GHz低频谐振点基本不变。这说明矩形贴片的长度对高频谐振点有很大影响，而对低频谐振点基本不影响，但会影响整个天线的性能。也就是说，选择合适的L2的值，可以有效改变天线特性，使天线具有更好的双频特性。

图2　L2值对回波损耗S11的影响

从图3可以看出，天线有f1=2.45 GHz和f2=5.25 GHz两个谐振点。低谐振点时，最低回波损耗为-13 dB，天线<-10 dB的频带宽度为2.35～2.46 GHz，相对带宽为10%；高谐振点时，最低回波损耗为-26 dB，<-10 dB的频带宽度为4.62～5.78 GHz，相对带宽为22%。由此可看出，选择L2=6.5 mm，可保证天线具有良好的双频特性。

图3　L2=6.5 mm时，S11的扫频结果

天线在2.45 GHz和5.25 GHz处的辐射方向图如图4(a)和(b)所示，可以看出天线工作在2.45 GHz时x-z面和y-z面方向图为双向的。而工作在5.25 GHz时，x-z面为双向的，y-z面方向图接近于全向，天线在高频处时方向图具有全向性。

图4　2种不同频率时天线在xz和yz截面上的增益方向图

3结束语

提出了一种新颖的双频微带贴片天线，在保证天线尺寸的情况下，通过改变辐射贴片的形状，使之谐振频率发生改变，同时采用50 Ω 微带线馈电，集总端口的激励方式实现。通过HFSS13.0仿真优化，可看出不同尺寸对天线谐振频率的影响，分析得到天线最佳尺寸及形状，从而得出天线可同时工作于WiMAX(5.25 GHz)和WLAN(2.45 GHz)频段，相对带宽分别为22%和10%，增益约为3.1 dB。关键指标基本满足微带天线的设计要求，且天线结构简单，体积较小，具有良好的使用价值。

参考文献

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Design of a Novel Dual-band Microstrip Antenna

ZHAO Huan-huan,YAO Ai-qin,SUN Yun-qiang

(Key Laboratory of Instrumentation Science and Dynamic Measurement of Ministry of Education,North University of China,Taiyuan Shanxi 030051,China)

Abstract：In order to meet the requirement of dual-band wireless communication of WLAN and WiMAX,a 1/5 dual-frequency microstrip patch antenna with simple structure is designed,which uses 50 Ω microstrip line feeding and lumped port incentives.Through HFSS13.0 simulation and analysis,it shows that the antenna can operate in WiMAX(5.25 GHz)and WLAN(2.45 GHz)bands simultaneously.The simulation results show that the relative bandwidths of the optimized antenna at 2.45 GHz and 5.25 GHz are 10% and 22% respectively.The maximum gains are 2.33 dB and 3.10 dB respectively.The bandwidth meets the requirement of the microstrip antenna,the antenna's radiation characteristic is good,and the structure is simple and easy for production.So it has a great prospect of application.

Key words：dual-frequency microstrip antenna;bandwidth;simulation

中图分类号：TN82

文献标识码：A

文章编号：1003-3114(2016)02-63-3

作者简介：赵欢欢(1990—)，女，硕士研究生，主要研究方向:通信与信息系统。姚爱琴(1969—)，女，博士，副教授，主要研究方向:测试技术及微波技术。孙运强(1963—),男，博士，教授，主要研究方向:测试计量技术与仪器。

收稿日期：2015-11-16

doi:10.3969/j.issn.1003-3114.2016.02.16

引用格式：赵欢欢，姚爱琴，孙运强.一种新颖的双频微带天线设计[J].无线电通信技术,2016,42(2):63-65.