工作于2.4 GHz/5.2 GHz双频段微带缝隙天线的设计

章坚武，王锦璇，叶 霓

（杭州电子科技大学 通信工程学院，浙江 杭州 310018）

0 引言

近年来，随着短距离无线接入技术及无线局域网技术的迅速发展，从频谱资源分配上来看，原有的802.11b（2.402～2.480 GHz）协议中的带宽和传输速率是非常有限的，已经不能满足如今数据通信的要求，因此，能够兼容频率更高、频谱资源更为充裕的802.11a（5.15～5.35 GHz）协议是WLAN发展的必然趋势[1-2]。部署能兼容IEEE 802.11a和IEEE 802.11b规范的多模式无线网络将是社会和市场发展的需要，而同时具有802.11a和802.11b 2个版本功能的WLAN将需要1个双频带的无线电发射机或2个单频带的无线电发射机，分别应用于2.4 GHz频带和5.2 GHz频带。当使用2个单频带的无线电发射机势必会占有通信设备更大的物理空间，这与移动终端小型化的趋势不符，这时就要求无线电发射机使用能够双频工作的天线，所以研发能够在无线局域网上实现双频工作的天线显得尤为重要。

笔者研究的主要内容就是尽可能发挥微带天线本身体积小，易于实现双频工作等优点，设计出能够工作在WLAN网络上的小型双频微带天线[3-4]，谐振频率分别为2.4 GHz和5.2 GHz，工作带宽分别要包括2.402～2.483 GHz和5.15～5.35 GHz 2个频段。下面将具体介绍设计过程。

1 天线的结构和工作原理

图1给出了微带缝隙天线的基本结构图与等效电路图。输入阻抗由辐射电阻R和电抗X串联组成。当缝隙天线谐振于设计频率上，输入阻抗的电抗为0。对低介电常数的基片，偏心馈电缝隙天线的谐振长度在0.4λ～0.5λ之间，它取决于介质材料、缝宽和馈电位置。

笔者对传统微带缝隙天线所加载的缝隙形状进行了修改，希望设计出能很好工作在WLAN的2个频段上的天线。这里，天线的介质材料采用的是介电常数εr为2.55的四氟聚乙烯高频板，而介质基板的厚度h则调整为1.2 mm。此缝隙天线的具体结构如图2所示，介质基板的上面是载入缝隙的接地面，而另一面则是微带线。

微带线被设计与50 Ω的传输线匹配，微带线的宽度可由式（1）得到[6]

图2 微带缝隙天线结构图

由图3可见，此天线的结构与一般的缝隙天线的结构非常类似，都是在天线的地板面上刻蚀缝隙槽，在介质基板的另一面上刻蚀的是微带线，只是这里的缝隙槽形状比较新颖，它是在一条水平槽的两端分别又加载了2个倒U型槽，从而使天线实现了双频工作特性。

2 天线仿真与结果分析

在天线的设计过程中，利用仿真软件对天线进行仿真分析是必不可少的步骤。这里，为了比较天线的主要参数对谐振频率及阻抗带宽的影响，以及明确天线的辐射机理，采用基于有限元法的高频仿真软件HFSS v10.0对天线的各个主要参数进行了仿真分析。

首先，对天线微带线的馈电位置的不同进行仿真比较，主要比较了采用中心馈电和偏心馈电2种情况，所获的天线回波损耗如图4所示，当天线选择中心型馈电时，由于缝隙相对于微带线是对称的，所以天线只在单频段产生谐振，工作带宽为2.31～2.43 GHz（回波损耗＜-10 dB）。而当天线选择偏心型馈电时，由于缝隙相对于微带线是不对称的，这就相当于天线有2个不同长度的缝隙受到激励，产生辐射，从而使天线实现了双频段工作，工作频段为2.40～2.57 GHz和5.12～5.36 GHz，这2个频段都包含了WLAN的工作频段（2.402 0～2.483 5 GHz，5.150～5.350 GHz）。

其次，研究了加载的U型槽的长度Ls对天线的辐射特性的影响，如图5所示，在其他参数相同的情况下，随着U型槽的支臂长度Ls的增加，天线在高、低频段上的谐振频率都是逐渐减小的，只是天线在低频段的谐振频率的偏移较小，而在高频段的谐振频率的偏移比较大。当天线地面上的U型槽支臂的长度Ls为7.9 mm时，天线获得了较好的双频工作带宽（低频段为2.40～2.57 GHz，高频段为5.12～5.36 GHz）。

最后，研究了天线加载的缝隙宽度对天线的辐射特性的影响。这里，选择三种方案研究槽的宽度对谐振频率的影响大小，仿真结果如图6所示。当所有加载的槽宽度都为1 mm或1.2 mm时，以及当U型槽的宽度为1 mm，而底槽宽为1.2 mm时，分别比较仿真了天线的回波损耗。由结果可知，缝的宽度变化对天线的低频段的谐振频率和带宽影响较小，而对高频段的谐振频率和宽度影响较大，综合比较谐振频率和带宽，可知，当其他的槽宽度为1 mm，而底槽宽为1.2 mm时，天线仿真的结果较理想。

图6 天线的槽宽对工作频段的影响

最终得到所设计的WLAN天线的主要尺寸参数如表1所示。

表1 天线的尺寸参数

3 天线的制作与实测

为了验证所设计的微带缝隙天线的性能，实际加工制造了天线实物，并使用S参数矢量网络分析仪（安捷伦8753ES）对其性能进行了实测。依据图3所示的天线架构和表1所给出的尺寸，在双面敷铜的介质基板上蚀刻而成天线实物，中间的介质基板选择介电常数为2.55的聚四氟乙烯高频板。天线实物照片如图7所示。

对天线实测得到的回波损耗和电压驻波比分别如图8和图9所示。图8所示的是天线回波损耗的实测值和仿真值的比较。由于天线跨越的频段范围较大，对天线在高/低频段分别进行了测量。测试得到的天线在低频段（2.4 GHz）的工作频段为 2.365～2.515 GHz，包含WLAN的IEEE 802.11b协议中的2.402 0～2.483 5 GHz频段范围。在高频段（5.2 GHz）测得的工作频段为5.08～5.38 GHz，包含了WLAN的IEEE 802.11a协议中的5.15～5.35 GHz频段范围。另外，由图9所示天线的电压驻波比（VSWR）可知，在天线的2个工作频段，VSWR都小于2，说明天线在这2个频段的匹配情况基本良好，基本满足天线的设计要求。与文献[7]中的2.4 GHz/5.2 GHz的WLAN天线（尺寸为80 mm×45 mm）相比较，天线的尺寸得到很大的缩减，但谐振频率和带宽都得到了较好的保证。

图10和图11分别为天线在2.4 GHz和5.2 GHz的实测方向图，可以看出在2个频率点天线的YZ面都有较好的全向辐射，在XZ面出现了个别旁瓣，但其增益仍然满足实用的要求。

4 小结

笔者设计了一款新型微带缝隙天线，并利用仿真软件HFSS对天线进行了仿真分析优化，最终结果显示，天线在WLAN的高/低频段都得到了很好地匹配，并获得了较好的带宽（低频段为2.40～2.57 GHz，高频段为5.12～5.36 GHz）。最终加工制作了天线实物，并对其进行了测试，通过对实测结果与仿真结果的比较分析，较为理想，天线在低频段（2.4 GHz）获得的工作频段为2.365～2.515 GHz，其包含了WLAN的IEEE 802.11b协议中的2.402 0～2.483 5 GHz频段范围；在高频段（5.2 GHz）测得的工作频段为5.08～5.38 GHz，其包含了WLAN的IEEE 802.11a协议中的5.15～5.35 GHz频段范围。另外，该天线体积较小，并且制作简单，适合应用在笔记本式计算机、无线路由器等移动终端上，所以有较好的实用价值。

[1]段永福.无线局域网（WLAN）设计与实现[M].杭州：浙江大学出版社，2007：46-57.

[2]顾晓亮，郑恒瑞.无线局域网技术标准的比较[J].中国数据通信，2004，6（9）：68-72.

[3]王洪林.微带电视频道天线设计和实物测试[J].电视技术，2000，24（9）：52-55.

[4]王文山，冯绍福.四层圆环天线设计及应用[J].电视技术，2002，26（5）：92-93.

[5]鲍尔，布哈迪亚.微带天线[M].梁联倬，寇廷耀，译.北京：电子工业出版社，1984：1-195.

[6]KHUNEAD G，NAKASUWAN J，SONGTHANAPITAK N，et al.Investigate rectangular slot antenna with L-shaped strip[EB/OL].[2010-10-09].http：//piers.org/piersonline/pdf/Vol3No7Page1076to1079.pdf.

[7]YEH S H，WONG K L.Dual-band F-shaped monopole antenna for 2.4/5.2 GHz WLAN application[C]//Proc.IEEE Antennas and Propagation Society International Symposium.[S.l.]：IEEE Press，2002，4：72-75.