一种新型三频天线的设计与分析

唐雨竹，马文英，魏耀华



一种新型三频天线的设计与分析

唐雨竹，马文英，魏耀华

（成都信息工程大学 通信工程学院，四川 成都 610225）

设计了一种新型的基于多枝节结构的三频天线。该天线由共面波导馈电，天线整体尺寸为30 mm×35 mm×1.5 mm，基板选用FR4，其相对介电常数为4.4。天线由三个贴片构成，通过调整三个贴片的长宽，可以使得三个贴片产生低频到高频三个中心频点，从而形成了三个工作频段。天线通过在贴片和共面波导的地平面中加入渐变结构，改善了三个频段上的阻抗匹配。采用仿真软件HFSS对天线进行了分析和优化。仿真结果表明，天线的–10 dB工作频段分别为：2.33~2.75 GHz，3.15~3.75 GHz，4.35~6.07 GHz，能够较好地覆盖WLAN和WiMAX的通信频段。天线的结构简单，尺寸较小，具有较好的辐射特性。

共面波导；多枝节结构；阻抗匹配；三频段；WLAN；WiMAX

近年来，无线通信系统迅猛发展，通信的带宽不断增加，接入方式日趋多样，这对天线提出了多频的要求。而随着无线通信设备的集成性不断增强，设备对于天线的小型化提出了实际的需求。因此，研究可以在多个通信协议下工作的小尺寸天线具有一定的实际意义。

在众多的无线通信协议中，无线局域网(Wireless Local Area Networks，WLAN)和全球微波互联接入(Worldwide Interoperability for Microwave Access，WiMAX)是两种应用广泛，且能够提供高速接入的无线通信协议。因此，工作频段能够覆盖WLAN和WiMAX频段的多频小型化天线得到了广泛的关注和研究。

工作于WLAN的WiMAX频段的天线主要有以下方案实现多频：（1）通过设计辐射贴片上的开槽来产生多频，这种方案的缺点是开槽的设计较为复杂[1-2]；（2）采用超材料加载技术。这种方案的缺点是超材料结构复杂，不利于设计和加工[3-5]；（3）基于单极子天线，采取多枝节设计以实现多频[6-8]。这种设计结构简单，但是在很多基于L形单极子的设计中，多个频段的阻抗匹配往往参差不齐，带宽较小[9-11]。可见，研究一种在多个频段内阻抗匹配都较好的多枝节天线是十分有意义的。

本文提出了一种引入渐变结构改善多枝节天线阻抗匹配的方法。所设计的天线具有结构简单，工作带宽能够覆盖WLAN和WiMAX频段，辐射特性较好等优点，能很好地应用于无线通信设备中。

1 天线设计

所设计的天线结构如图1所示，由图1(b)可见，该天线的辐射单元主要由梯形贴片、一个矩形贴片以及一个U形贴片构成，通过在梯形贴片和共面波导地平面上对称切角，提高了天线对于三个工作频段的阻抗匹配。天线采用共面波导馈电，印刷在尺寸为30 mm×35 mm×1.5 mm的FR4_exproy介质基板上，介质的相对介电常数为4.4，损耗角正切为0.02。天线结构参数如表1所示。

(a)

(b)

图1 天线结构示意图

Fig.1 Antenna structure diagram

表1 天线结构参数

Tab.1 Optimized parameters dimensions for the antenna mm

LWghwl1l2l3l4l5 1118.70.3126912210 w1w2w3w4w5w6h1h2g 68.52452222

为了说明天线结构中渐变结构对于提高天线阻抗匹配的作用，利用HFSS分别对没有采用渐变结构的天线（天线1）、仅在贴片上采用渐变结构的天线（天线2）和本文设计的天线（天线3）进行建模、仿真，得到三者的回波损耗频率特性曲线，如图2所示。

由该仿真结果可见，与其他两种结构的天线相比，本文提出的天线，由于同时在贴片和共面波导地面上引入了渐变结构，在高频的阻抗匹配和带宽得到增强。

为了说明天线结构中三个贴片的作用，利用HFSS对天线进行建模，仿真得出天线在不同频点下的电流分布，如图3所示。

(a) 2.4 GHz时电流分布

(b) 3.5 GHz时电流分布

(c) 5 GHz时电流分布

图3 天线的表面电流分布

Fig. 3 Antenna surface current distributions

从图3(a)可以看出，当天线工作在2.4 GHz时，电流主要分布在U形贴片上；从图3(b)可以看出，当天线工作在3.5 GHz时，电流主要分布在矩形贴片上；从图3(c)可以看出，当天线工作在高频5 GHz时，电流主要分布在梯形贴片上。因此，通过设计这三个贴片的尺寸可以得到对应的工作频点。根据微带单极子的设计原理[12]，当天线工作在2.4，3.5，5.0 GHz时，若电磁波在自由空间中，则对应的1/4波长分别约为31.25，21，15 mm，若电磁波在FR4介质中，则相应的1/4波长分别约为19，13，9.13 mm。由于介质只在贴片的一边，因此，贴片的长度应该介于两种情况的1/4波长之间。

2.4 GHz频点对应的电流路径长度为3+4+5+4+5+1=39 mm；3.5 GHz频点对应的电流路径长度为2+1=15 mm；5 GHz频点对应的电流路径长度为1+=7 mm。可见，除2.4 GHz频点外，其余两个频点对应的枝节长度均在根据理论计算得到的范围之内。这是由于天线工作在不同的频段时，天线的三个不同贴片上均有电流分布，因此，三个贴片之间会相互影响，贴片长度不严格符合理论值。

2 参数分析

为了分析天线各尺寸参数变化对天线的影响，并确定各参数的最优值，利用HFSS对天线的关键参数进行了扫描分析。

首先，为了保证天线能够产生5GHz的高频谐振频率，必须对天线的梯形贴片进行分析，图4(a)给出了梯形贴片长1变化对天线11的影响。仿真结果表明，1增大将使得5 GHz频段以及3.5 GHz频段向低频移动，因此应该选择1=6.0 mm作为最优值。

因为U形贴片和矩形长条贴片直接连接在梯形贴片的两端，所以梯形贴片宽度的变化除了产生5 GHz工作频段，还对3.5 GHz频段和2.4 GHz频段的电流路径长度和阻抗匹配有一定影响。因此，应该分别调整梯形贴片的左右两边的宽度。图4(b)、图4(c)分别给出了梯形贴片左右两边的宽度1和2变化对11的影响。1的变化主要会造成2.4 GHz和3.5 GHz频段的谐振频率和阻抗匹配情况的改变；而2的变化对天线的三个工作频段都有较大的影响，伴随着2的增大，天线在三个工作频段内的阻抗匹配逐渐得到改善，带宽不断增大，同时3.5 GHz频段和5 GHz频段的谐振频率向高频移动。可见，2是影响天线带宽和工作频段位置的关键参数。为了兼顾工作频段位置和阻抗匹配效果，选择1=6.0 mm，2=8.5 mm。

(a)1变化对11的影响

(b)1变化对11的影响

(c)2的变化对11的影响

图4 梯形贴片尺寸变化对11的影响

Fig.4 Influences of trapezoid patch on return loss

其次，调节矩形贴片的长宽2和3可以保证天线在3.5 GHz频段的性能。图5表示2变化对11的影响，由图5可见，3.5 GHz频段的谐振频率会随着2的增大向低频移动；选择2=9.0 mm。

最后，优化U形贴片的尺寸可以使得天线的低频谐振频率稳定在2.4 GHz。图6表示5对11的影响。从图6可见随着5的增大，天线在2.4 GHz频段的带宽不断减小，谐振频率逐渐下降。由仿真可知，当5=10 mm时，天线的阻抗匹配和频段覆盖最佳。

3 仿真和实测

根据优化后的参数，对天线进行了加工和测试，天线实物照片如图7所示，利用微波网络分析仪Agilent N5244A PAN-X对天线的回波损耗频率特性进行了测试，天线的回波损耗频率特性曲线的仿真和实测结果如图8所示。

仿真结果表明：天线的三个工作频段分别为2.33~2.75 GHz，3.15~3.75 GHz，4.35~6.07 GHz；相对带宽分别约为17.65%，17.24%，33.79%。而实测结果表明：天线的三个工作频段分别为2.31~2.55 GHz，2.96~3.56 GHz，4.16~6.06 GHz；相对带宽分别达到了9.77%，18.7%，39.54%。

天线的最大增益频率特性曲线如图9所示。可见，天线在2.4 GHz频段(2.3~2.8 GHz)内的增益为2.01~2.11 dBi，在3.5 GHz频段(3.3~3.8 GHz)的增益为1.66~2.18 dBi，在5.5 GHz频段(5.1~5.8 GHz)的增益为3.53~3.97 dBi。当天线工作在3.5 GHz频段时，U形贴片上会因为弯折结构的存在而产生相位相反的电流，从而造成天线在此频段内增益较小。

图10为天线在2.4，3.5，5 GHz频点的面内增益方向图的仿真结果，可以看出当天线工作在低频2.4 GHz时，天线的辐射性能较好，类似于单极子天线。而在高频，天线的辐射表现出了一定的方向性。结合天线的表面电流分布图（图2）可以看到，当天线工作在3.5 GHz和5 GHz时，天线的表面电流在天线的U形贴片上都有一定的分布，造成了天线辐射的方向性的畸变。

为进一步说明本文所提出的天线在各个参数的特点和优势，将其与文献[3]、文献[4]、文献[11]中的天线进行了对比，结果如表2所示。可见，天线能够覆盖三个频段，且带宽较宽，特别是与文献[3]中的天线相比，虽然尺寸较大，但辐射增益较好。

(a) 2.4 GHz

(b) 3.5 GHz

(c) 5.0 GHz

图10 天线在各个频率下面内增益方向图

Fig.10 Two-dimensional radiation patterns of the antenna

表2 与其他天线对比

Tab.2 Comparison of the proposed antenna with other antennas

参数文献[3]文献[4]文献[11]本设计 尺寸/mm20×1640×4540×4030×35 覆盖频段/GHz2.51~2.643.34~4.035.4~6.032.3~45~6.62.35~2.464.62~5.782.33~2.753.15~3.754.35~6.07 频段内最大增益/dBi–6.0–2.780.683.22.343.13.12.112.183.97

4 结论

设计了一种基于多枝节结构的天线，天线结构简单、新颖，易于设计，工作频带较宽，能够较好覆盖WLAN/WiMAX频段，频段内的增益较好。相对于一般的三枝节天线具有良好的全向辐射特性。天线易于制造，能够很好地应用于WLAN和WiMAX系统中，是一种具有一定工程实用意义的三频微带天线。

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Design and analysis of a novel triple band antenna

TANG Yuzhu, MA Wenying, WEI Yaohua

(College of Communication Engineering, Chengdu University of Information Technology, Chengdu 610225, China)

A novel triple band antenna was developed. The antenna was fed by coplanar waveguide(CPW), whose size was 30 mm×35 mm×1.5 mm and substrate was FR4 with relative permittivity of 4.4. The antenna was composed by three patches, by adjusting the width and length of the patches, three resonant frequency bands were introduced. The impedance matches of the three bands were improved by adding tapered structure in the patch and CPW ground plane. The antenna was simulated by using software HFSS. The simulation results demonstrate that the antenna’s –10 dB work bands are 2.33－2.75 GHz, 3.15－3.75 GHz and 4.35－6.07 GHz. The work channel can cover WLAN/WiMAX work bands. Moreover, the antenna dimension is small, the structure is simple, and the radiation characteristic is good.

coplanar waveguide; multiple branch structure; impedance match; triple band; WLAN; WiMAX

10.14106/j.cnki.1001-2028.2016.09.012

TN828.4

A

1001-2028（2016）09-0053-05

2016-07-07 通讯作者：马文英

马文英（1984－），女，山东菏泽人，副教授，主要从事电磁结构和微电子研究，E-mail: mwy@cuit.edu.cn ；唐雨竹（1990－），男，四川盐亭人，研究生，研究方向为天线与亚波长电磁结构，E-mail: tyznature@163.com 。

网络出版时间：2016-09-02 11:12:01 网络出版地址： http://www.cnki.net/kcms/detail/51.1241.TN.20160902.1112.013.html

（编辑：陈渝生）