一种新型宽频带多频微带天线设计*

潘勇，熊江，李潘

(重庆三峡学院计算机科学与工程学院，重庆 404100)

1 引言

随着射频识别(Radio Frequency Identification，RFID)、无线传感网及移动互联网的迅速发展，无线通信系统成为当今研发的热点。在射频识别标签、无线传感节点以及移动智能终端中，天线都是必不可少的关键部件之一。作为实现电路中的电磁信号与自由空间中传播的电磁波相互转换功能的天线，其性能的好坏直接关系到整个系统通信质量的高低。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涵盖多个通信技术标准，要求能同时工作在多个频段上。

根据无线通信系统发展要求，小型化、宽频带、多频段和智能化已成为天线设计新方向。近年来出现了一些适用于不同通信技术标准的单频和双频天线，但同时适用于蓝牙(Bluetooth)、射频识别、全球微波无线互联网(WiMAX)和无线局域网(Wireless Local Area Network，WLAN)这几大主流物联网通信技术标准的多频天线设计却相对较少［1－7］。文献［2］提出了一款针对RFID应用的天线，文献［3－4］提出了不同形状的、可应用于WLAN及WiMAX的天线，以上天线均具有较好的辐射特性和带宽，但天线尺寸都相对较大，且只具有两个频段。文献［5－7］所提出的天线相对尺寸较小，可应用于WLAN及WiMAX，但可用频段依然只有两个。本文通过引入缺陷地结构，设计了一款可同时用于蓝牙/RFID/WiMAX/WLAN的三频微带天线。该天线提供了0.11GHz、0.86GHz和1.11GHz 3 个阻抗带宽，工作频段分别为2.38 ～2.49GHz、3.19 ～4.05GHz和4.95 ～ 6.06GHz，谐振频率分 别为 2.47GHz、3.48GHz和5.55GHz。天线的尺寸为 34.0 × 23.0×1.6mm3。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能很好地匹配。

2 天线设计与结构

天线的设计过程以及每个天线所对应的回波损耗特性如图1所示。辐射单元长度的计算方法是:先由辐射贴片带线长度与相应馈电带线长度之和，即天线有效电长度，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［8］:

式中，Leff是天线有效辐射电长度，单位mm;fres是谐振频率，单位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，单位mm。

图1 天线的设计过程及对应的回波损耗特性Fig.1 Design evolutions of the proposed antenna and simulated returned loss results

天线最初的设计源于天线I，如图1(a)所示，仅包括一个矩形环辐射贴片、一个由馈电线伸出的矩形谐振条和一个矩形地板。辐射单元通过超小A型接头馈电后，电流从馈电点流经带线直至辐射贴片上部矩形环的顶端，该电流流经的路径长为50.5mm(约0.4 λ)。如图 1(b)所示，此时天线工作在一个频段 2.58 ～ 2.82GHz，谐振频率为2.69GHz，基本靠近蓝牙工作频段，但回波损耗参数不好。通过在矩形辐射环里面沿着微带方向增加两条矩形带贴片和一个开口六边形贴片得到天线II，而天线的面积大小没有改变。为了获得更好的匹配特性，通过计算及优化，矩形环和开口六边形环连接的矩形带线宽度为0.95mm，此时电流从馈电点流经带线直至六边形顶端，该电流流经的路径长为26.3mm(约0.31 λ)。天线 II产生了3 个频段，其阻 抗 带 宽 分 别 为 2.4 ～ 2.47GHz、3.11 ～3.63GHz、5.1 ～ 5.62GHz，中 心 频 率 分 别 为2.44GHz、3.29GHz、5.39GHz。前一个已可覆盖蓝牙工作频段，但带宽比较窄;中间一个可部分覆盖WiMAX频段，但谐振频率参数不好;后一个可覆盖WLAN的5.1GHz工作频段，但回波损耗参数不好。为了改善获取的3个工作频段而引入缺陷接地结构(DGS)，该结构通过在微带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，以实现改善频率、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拱形地结构，拱形半径为R1=6.8mm，在拱形里面蚀刻圆形缺陷，缺陷半径R2=2.0mm。拱形地以及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。

通过在拱形地结构的合适位置蚀刻圆形缺陷，仿真发现天线III频段得到了改善，出现了3个频段且带宽较宽，匹配较好。此时，电流从馈电点流经带线直至矩形环底端，该电流流经的路径长为11mm(约0.2 λ)。由于缺陷地结构，改变了此处的频率特性，最终得到覆盖蓝牙、RFID、WiMAX和WLAN工作频段的天线。可见在矩形环中引入矩形带状线和开口六边形环以及采用缺陷地结构，在没有增加整体体积的情况下获得了性能较好的宽频带多频天线。

图2是宽频带多频微带天线的具体设计结构。印刷在介质基板上的天线的主要辐射单元是一个矩形辐射环，两条连着矩形环的竖矩形辐射带，一个开口六边形辐射环。天线矩形辐射环的分段长度L1=1.0mm、L2=20.4mm和 L3=0.7mm，宽度 W2=19.0mm。辐射环内左右两条竖矩形辐射带长度均为L6=8.2mm，夹在两条微带线中间的矩形谐振条长度 L4=7.4mm、宽度 W7=1.0mm。

图2 天线的结构图Fig.2 Configuration and geometry of the proposed antenna

该天线被印制在相对介电常数 εr=4.4、介质损耗为0.02、厚度为1.6mm的FR4的介质板上，采用50 Ω微带线馈电，微带线的长和宽分别是Lf=9.4mm、Wf=3.9mm，介质板的尺寸为34.0mm ×23.0mm。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如图3所示。

表1 天线的详细尺寸参数Table 1 Parameters of the proposed antenna

图3 天线的实物图Fig.3 Photograph of fabricated antenna

3 实验结果及分析

采用全波仿真软件HFSS 13.0对天线进行模拟仿真，同时使用矢量网络分析仪在暗室中对实际制作的天线进行测试。天线测试的实际工作相对带宽为 4.45%(2.38 ～ 2.49GHz)、24.71%(3.19 ～4.05GHz)和20.0%(4.95 ～6.06GHz)。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，而两者的误差可能是由天线制作和实验设备测试的误差引起的。天线在谐振点处的回波损耗分别为 －27.4dB、－33.7dB和 －36.5dB，显示出天线良好的匹配特性。图 5 是天线在2.45GHz、3.5GHz和5.5GHz时分别在E面和H面的方向图，仿真与测试结果的吻合度也比较高。

图4 仿真与测试的回波损耗Fig.4 Simulated and measured return losses of the proposed antenna

图5 天线在 2.45GHz、3.5GHz、5.5GHz时分别在E面、H面的方向图Fig.5 Simulated and measured radiation patterns at 2.45GHz，3.5GHz，and 5.5GHz in the E plane and H plane

图6 给 出 了 天 线 在 2.45GHz、3.5GHz和5.5GHz时的表面电流分布。如图6(a)所示，电流既分布在外矩形环上还分布在内部的开口六边形上，可见2.45GHz时电流路径是最长的。如图6(b)所示，天线工作在3.5GHz，电流主要分布在内部开口六边形上，外矩形环的电流强度很弱。如图6(c)所示，天线工作在5.5GHz，电流主要分布在外矩形环下半部，此时电流路径是最短的。

图6 天线在 2.45GHz、3.5GHz和 5.5GHz的表面电流Fig.6 Simulated surface current distribution at 2.45GHz，3.5GHz and 5.5GHz

图7为天线在工作频带内的增益仿真与测试结果。在 2.3 ～2.5GHz频段，最大增益为为4.17dBi，在2.3GHz时取得。增益变化仅为0.25dBi，天线的增益相对稳定。在3.2～4.2GHz频段，增益变化为0.66dBi，天线的增益同样相对稳定，4.2GHz时增益最大为3.61dBi。与前两个频段相比，天线在4.7～ 6.0GHz频段增益变化较大，为1.55dBi，在5.9GHz时获得最大增益为5.75dBi。天线增益的测试与仿真结果吻合较好。

图7 天线在工作频带内的增益Fig.7 Simulated and measured gains of the proposed antenna

以WLAN应用为例，文献［4］天线增益分别为2.11dBi和2.55dBi，文献［5］天线增益最高为3.1dBi，最低只有2.6dBi左右，本文设计天线在WLAN工作频段增益最低为3.7dBi，最高达到5.75dBi，增益满足无线通信的要求。同时，本文设计天线带宽较宽，完全覆盖所需工作频段，其中3.5GHz和5.5GHz实际工作的相对带宽均达到了20%及以上。

4 结束语

本文提出了一种小型化宽频带多频微带天线，可同时工作在蓝牙、RFID、WLAN和WiMAX的通信频段。该天线主要由一个矩形环、三条竖矩形带、一个开口六边形环以及缺陷地组成。在保证天线尺寸的情况下，通过在矩形环里沿微带线增加矩形带和开口六边形环，同时改进地板为带圆形缺陷的拱形结构来获得3个阻抗匹配良好的频段。天线提供了0.11GHz(2.38 ～ 2.49GHz)、0.86GHz(3.19 ～4.05GHz)和1.11GHz(4.95 ～ 6.06GHz)3 个阻抗带宽，谐振频率分别为2.47GHz、3.48GHz和5.55GHz，增益分别达到4.17dBi、3.61dBi和5.75dBi。天线具备小尺寸、高增益、辐射特性较好等优点，适用于当前应用的无线通信系统。

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