多分支平面印刷天线的设计

万小凤，郑宏兴，张玉贤

（天津职业技术师范大学天线与微波技术研究所，天津 300222）

多分支平面印刷天线的设计

万小凤，郑宏兴，张玉贤

（天津职业技术师范大学天线与微波技术研究所，天津 300222）

设计了一种多分支平面印刷天线，采用微带线馈电方式，其中微带线设计成T形与辐射单元相互匹配，辐射单元由三个L形的金属面结构构成，其分别工作在2.4 GHz、3.5 GHz和5.4 GHz，可应用于无线局域网（WLAN）和全球微波互联接（WiMAX）系统。通过电磁仿真软件HFSS对这种天线进行设计，在WLAN应用频段上10dB阻抗带宽分别约为1 GHz（4.9-5.9 GHz）和310 MHz（2.24-2.55 GHz）；在WiMAX应用频段上10 dB阻抗带宽380 MHz（3.3-3.68 GHz）。实测结果表明，这种天线具有良好的远场辐射特性，其增益在2.5-4.7 dBi之间。

多分支单元；印刷天线；小型化

随着通信技术的快速发展，无线系统对天线的小型化和宽频带的要求越来越高。无线局域网（WLAN）和全球微波互联接入（WiMAX）的迅速发展，不仅要求天线满足小型化和宽频带，还必须具有多频特性。WLAN主要工作频率范围分别为2.4-2.485 GHz、5.15-5.35 GHz和5.725-5.825 GHz，WiMAX主要工作频率范围分别为2.5-2.69 GHz、3.4-3.69 GHz和5.25-5.85GHz[1]。微带天线具有低剖面、体积小、低成本和易集成等优势，能够在很大程度上满足系统的实际需求[2]。

微带天线实现多频特性的方法主要是多片法、多枝节法和单片法。多片法利用谐振频率不同的多个贴片工作，通常将较小的贴片叠放在较大的贴片之上，这样地板和较大贴片之间的空腔谐振在较低的频段，而贴片之间的空腔谐振在较高的频段[3]；多枝节法是将谐振在不同频率的辐射单元组合在一起，从而产生多个频率。单片法分为单片多模法和单片加载法：单片多模法通过在单片微带贴片的空腔内激励起具有不同谐振频率的模式，从而实现多频段工作[3]；单片加载法是针对单模工作的单片微带贴片天线而言，使用的是电抗加载的方法。文献[4]提到的一种应用于无线局域网的单极子天线，结构复杂，制作起来相当困难。文献[5]提到的一种用于WLAN的小型双频宽带印刷天线，虽然结构简单，高频段天线带宽很宽，但是高频段S11不稳定，而且天线的体积不够小巧。文献[6]中提到的印刷圆极化三频天线，天线结构简单，设计独特，采用在接地面上开槽的方法来实现三频特性，但是天线尺寸较大，在低频段效果不是很好。

本文使用多枝节法来实现天线在多频段的工作功能，采用相对介电常数较低的介质基板，并调整附加阻抗匹配网络，从而阻抗带宽得以增加，采用T形结构的微带线馈电方法起到阻抗匹配的作用，因此设计出来的天线不仅结构简单，体积小，而且覆盖了2.24-2.55 GHz、3.3-3.68 GHz和4.9-5.9 GHz三个常用频段。

1 天线设计

1.1 理论分析

对于半波偶极子天线，若是利用镜像法，引入接地面，可将半波偶极子天线的长度缩短一半，设天线对应谐振频率的波长为λ，即λ/4单极子天线。对于λ/ 4单极子天线，可使如图1（a）所示的微带线结构得以实现，为了能使天线尺寸缩小，需要将天线折成图1（b）所示的L形结构[7]。

图1 微带线结构λ/4单极子天线

设计微带天线时，选择合适的介质基板是很重要的。假设介质的介电常数为εr，对于工作频率为f的矩形微带天线，辐射贴片的宽度w可以用下式计算出[7]：

式中，c为光速。辐射贴片的长度一半为λe/2；这里λe是介质内的导波波长，即

考虑到边缘缩短效应后，实际的辐射单元长度L应为

式中，εe是有效介电常数，ΔL是等效辐射缝隙长度，计算公式如下：

1.2 结构设计

根据上述的天线设计方法，本文设计了一种结构简单的多分支印刷天线，其辐射贴片上采用了三个L形结构，所设计的天线相应的中心频率为2.4 GHz、3.5 GHz和5.4 GHz。若在自由空间传播，三个频点对应的λ/4分别是31.25 mm、21.5 mm和14 mm，而在介电常数为3.38的Rogers RO4003介质中传播，对应的λ/4分别是17 mm、11.75 mm和7.65 mm。电磁波的传播既要经过自由空间也要经过介质，所对应的λ/4应该介于二者之间，即2.4 GHz工作频点对应的λ/4在17-31.25 mm之间，3.5 GHz工作频点对应的 λ/4在11.75-21.5 mm之间，5.4 GHz工作频点对应的λ/4在7.65-14 mm之间。由于三个辐射结构耦合在一起，受到微带馈电线的影响，这种λ/4单极子天线所对应的波长将会略微发生一些变化。

天线印刷在介质基板上，介质基板采用相对介电常数为3.38的Rogers RO4003材料，基板的长宽高尺寸为L1×W1×H。天线的正、反面结构如图2所示，其中阴影部分表示金属。该天线主要由介质基板、L形辐射贴片、T形微带馈电线和接地面组成。L形辐射贴片宽度都为w，T形微带馈电线水平长度为W6+W2+ W7。

图2 天线结构示意图

2 分支天线参数分析

为了探讨天线各枝节的作用，分别讨论单枝节、双枝节和三分支等情形的分支天线，并使用高频电磁仿真软件HFSS15.0.2对不同情形的天线结构进行分析。

2.1 单枝节天线的仿真

当天线只有左边的倒L形结构时，天线的S11曲线图如图3所示，此时天线的中心频率在5.4 GHz附近，频率范围为5.1-5.9 GHz。

图3 只有左倒L时S11曲线图

通过调节倒L形辐射单元结构的总长度可以调整谐振频率，倒L形辐射单元结构总长度分别取值为：12 mm、14 mm、16 mm和18 mm，不同总长度对应的S11曲线图如图4所示。由图可看出，谐振频率随总长度的增大往小频率方向移动，频带宽度会越来越窄；当总长度W3+L3取值为14 mm时，中心频率为5.4 GHz，带宽范围为5.05-5.9 GHz，效果最好。

图4 对左倒L总长度扫描的S11曲线图

当天线只有中间的正L形结构时，天线的S11曲线图如图5所示，此时天线的中心频率在3.5 GHz附近，频率范围为3.3-3.75 GHz。

图5 只有中间正L时S11曲线图

2.2 双枝节天线的仿真

天线在左边倒L形结构的基础上，加上右边一个倒L形结构，这时天线出现了两个中心频率，分别在2.4 GHz和5.4 GHz附近，相应的频率范围分别2.24-2.65 GHz和4.86-5.96 GHz，S11的结果如图6所示。

图6 只有左右倒L时S11曲线图

若将左边的倒L形和中间的正L形结构结合，天线也会出现两个中心频率，分别在3.5 GHz和5.4 GHz附近，相应的频率范围分别为3.32-3.68 GHz和4.81-5.96 GHz，S11的结果如图7所示。当只有右边的倒L形和中间正L形结构时，天线产生的中心频率分别为2.4 GHz和3.5 GHz，频率范围分别为2.25-2.55 GHz和3.35-4.03 GHz，S11的结果如图8所示。

图7 只有左倒L和正L时S11曲线图

图8 只有右倒L和正L时S11曲线图

2.3 多分支平面印刷天线

通过以上几种情况分析可知，左边的倒L形辐射单元会产生一个中心频点在5.4 GHz附近，中间的正L形辐射单元会产生一个中心频点在3.5 GHz附近，右边的倒L形辐射单元会产生一个中心频点在2.4 GHz附近，将三个辐射单元组合在一起，并调准各部分的尺寸，就可实现三频段的目的。将三个辐射单元结构结合起来，得到天线的S11结果如图9所示，天线的电压驻波比如图10所示，由仿真结果分析可得，天线在2.4 GHz、3.5 GHz和5.4 GHz频点附近天线回波损耗小于-10dB，电压驻波比小于2，天线频率范围分别为2.24-2.55 GHz、3.3-3.68 GHz和4.9-5.9 GHz。由此可知，对于WLAN和WiMAX所使用的频段内，天线的工作性能会很好。

图9 天线S11曲线图

图10 天线VSWR曲线图

3 设计结果

根据前面的分析，利用HFSS15.0.2对这种多分支平面印刷天线各个枝节的尺寸进行优化，得出的天线参数如表1所示。对天线的远场辐射特性进行仿真。分别选取工作频段内的2.4 GHz、3.5 GHz和5.4 GHz作为参考频率点，通过E平面和H平面可观察天线的远场辐射特性，其远场方向图如图11所示。在H平面上的形状接近圆周，为近似全向辐射，在E平面可以获得接近“8”字形的指向性，这种天线在相应的工作频段内具有良好的全向辐射特性。天线的增益特性是一个重要参数，由图12可见，这种天线在工作频段上的增益都大于2.5 dBi，在高频范围内的增益达到4.7 dBi。根据表1中的天线尺寸，做出相应的天线实物，如图13所示。采用AV3620高性能射频一体化矢量网络分析仪，测得反射系数和电压驻波比曲线由图14和图15分别给出，作为对比，将相同几何参数天线的仿真曲线也放在图中。由于加工制作条件的限制，天线的损耗以及一些人为因素，导致实测的结果出现小范围波动。虽然天线在高频部分的差异比较大，但是实验结果和仿真结果的总体趋势一致。

表1 优化后的天线参数（mm）

图11 天线远场辐射图

图12 天线的增益曲线

图13 天线实物图

图14 天线S11曲线图

图15 天线VSWR曲线图

4 结束语

本文设计了一种三分支三频段单极子天线，利用T形结构的微带线馈电方法，天线辐射体采用三个L形相互组合的金属贴片，从而使天线实现三频特性，可工作在WLAN与WiMAX系统中。此外，天线具有良好的全向辐射特性，结构简单，体积较小，易于与微波电路集成，同时具有较大的增益。可应用于常见的移动通信设备上面。

［1］ 盖硕，焦永昌，朱沛，等.一种新颖的应用于无线局域网的小型化单极子天线[J].微波学报，2010，25（3）：172-174.

［2］ 高国平，杨雪霞，张金生，等.多用途超宽带印刷单极子天线[J].兰州大学学报（自然科学版）.2008，44（5）：74-77.

［3］ 张申.微带双频天线的研究与设计[D].西安：西安电子科技大学.2012.3.

［4］ TARGONSKI S D，WATERHOUSE R B，POZAR D M.Wideband aperture coupled stacked patch antenna using thick substrates[J].Electronics Letters，1996，32（21）：1941-1942.

［5］ 宋小弟，冯恩信，傅君眉.一种用于WLAN的小型双频宽带印刷单极天线[J].微波学报.2009，25（6）：71-74.

［6］ 张振北.WLAN_WiMAX多频天线设计[D].大连：大连海事大学.2013.6.

［7］ 李明洋，刘敏，杨放.HFSS天线设计[M].北京：电子工业出版社，2011.8.

Design of multi-branch printed antenna

WANG Xiao-feng，ZHENG Hong-xing，ZHANG Yu-xian
（Institute of Antenna and Microwave Techniques，Tianjin University of Technology and Education，Tianjin 300222，China）

A multi-branch printed antenna is discussed in this paper.It consists of three L-shape units，corresponding frequencies of 2.4 GHz，3.5 GHz and 5.4 GHz.It can be applied to WLAN and WiMAX systems.Microstrip line is designed as T-shape to feed the antenna and match each radiation unit.We use the electromagnetic simulation software HFSS to design the antenna.Result shows that 10dB impedance bandwidths are approximately 1 GHz（4.9-5.9 GHz）and 310 MHz（2.24-2.55 GHz）for WLAN，and 380MHz（3.3-3.68 GHz）for WiMAX.The designed antenna has been fabricated then tested.Good performance has been obtained for far-field characteristics of radiation.The total gain of this antenna is between 2.5 and 4.7 dBi.

multi-branch；printed antenna；miniaturization

T

A

2095－0926（2014）04－0001－04

2014-00-00

国家自然科学基金项目（61371043）；天津市应用基础及前沿技术研究计划（12JCYBJC10500）.

万小凤（1990-），女，硕士研究生，研究方向为天线与微波技术；郑宏兴（1962-），男，教授，博士，硕士生导师，研究方向为天线、微波电路和计算电磁学.