三频梳状缝隙天线设计

万小凤，郑宏兴，张玉贤，彭 升

（天津职业技术师范大学天线与微波技术研究所，天津 300222）

三频梳状缝隙天线设计

万小凤，郑宏兴，张玉贤，彭 升

（天津职业技术师范大学天线与微波技术研究所，天津 300222）

设计了一种三频段梳状缝隙天线，通过在辐射贴片上开梳状槽和圆环槽，以及在接地面上开未封闭圆环形缝隙，使得天线的工作频率分别为2.4 GHz、3.5 GHz和5.8 GHz。天线采用微带线的馈电方式，它的S11在-10 dB时的带宽分别是2.38～2.48 GHz、3.50～3.62 GHz和5.66～5.81 GHz，该天线能够较好地应用在无线局域网和全球微波互联接入系统中。

缝隙天线；无线局域网；全球微波互联接入

现代无线通信系统蓬勃发展，移动终端需要在多个通信频段上进行工作，协同完成通讯过程中的接收和发射任务。但是移动终端的空间非常有限，不同的单频天线同时使用，容易产生严重的耦合，降低通讯质量[1]，于是多频天线被广泛地应用到各种无线通信领域中。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）正在逐步取代旧式的有线网络模式，不再受地域和位置限制，WLAN的工作频段为2.45 GHz（2.4～2.484 GHz）、5.25 GHz（5.15～5.35 GHz）和5.8 GHz（5.725～5.825 GHz），WiMAX的工作频段为2.5 GHz（2.5～2.69 GHz）、3.5 GHz（3.4～3.69 GHz）和5.5 GHz（5.25～5.85 GHz）[2-3]。WLAN的优势在于具有较强灵活性和可移动性，但是范围覆盖较窄。对于WiMAX，它的覆盖范围相对广阔[4]。WLAN和 WiMAX同时使用，能进一步优化通信的质量。本文通过在辐射贴片上开槽以及在接地面上开缝隙[5]，设计了一种三频梳状缝隙天线，能够协同工作在WLAN和WiMAX波段。

1 结构分析

在微带天线的设计过程中，合适的介质基板的选择十分重要。假设矩形微带天线的工作频率为f，则辐射贴片的宽度W可以表示为[6]:

式中:εr为介质基板的介电常数；c为光速；f为工作频率。

由于存在边缘缩短效应，实际的辐射单元长度L可表示为[6]:

式中:εe为有效介电常数；ΔL为等效辐射缝隙长度；h为介质基板厚度。εe和ΔL的计算公式如下[6]:

一般情况下，无穷大导电平板上的圆环缝隙可等效为面磁流的环形分布[7]，表示为:

式中:M为等效磁流；Ea为缝隙上的电场强度；ρ、φ分别为极坐标参数；n为垂直于导体平板的单位矢量。由于圆环缝隙天线和电圆环天线之间符合二重性原理，容易得到圆环缝隙天线远区上的平面电磁波分布为[8]:

式中:（Eθ，Hφ）表示为远区场分布；r为电磁波的辐射距离；k为传播常数；η0为真空波阻抗；J1为一阶贝塞尔函数。设r1和r2分别表示圆环的内、外半径，圆环缝隙天线的中心频率为[8]:

按照上述原理，天线的结构如图1所示，天线印刷在尺寸为L×W×H的介质基板上，εr=4.4。这种天线主要由介质基板、辐射贴片、微带馈电线和接地面组成。图1（a）中的微带馈线和辐射贴片的尺寸分别为L1×W1和L2×W2。其中，辐射贴片内部有梳状结构的矩形槽和封闭圆环槽。矩形槽在矩形辐射贴片的右下方，最下方2个矩形槽尺寸均为L3×w，最上方矩形槽尺寸为L4×w，各矩形槽间距为w，它们相邻放置形成梳状结构。封闭圆环槽在矩形辐射贴片的左下方，小圆和大圆半径分别为R1和R2。图1（b）中的接地板尺寸为L5×W，刻有未封闭的圆环缝隙，小圆和大圆半径分别为R3和R4，位于接地面中心，圆环左下方被尺寸为L6×W2的矩形所填充。

图1 天线结构图

2 实验分析

利用HFSS15.0.2对三频梳状缝隙天线的结构进行仿真。当在辐射贴片上只开圆环槽时，天线谐振频率处于2.6 GHz附近，如图2（a）所示，-10 dB带宽范围在2.57～2.63 GHz，属于WiMAX频段范围。但是在高频区域5.2 GHz和6.1 GHz的两个谐振频点上，表现效果不理想。图2（b）中对接地面进行开缝隙处理，得到这种天线的回波损耗S11在6.2 GHz附近接近-35 dB，-10 dB带宽为6.13～6.36 GHz。由于接地面缝隙将原先为2.6 GHz的中心频率迁移到2.46 GHz上，其向外辐射能力有所减弱。为了提高天线的辐射能力并实现三频特性，于是在辐射贴片右下方开梳状槽，如图2（c）所示。图2（c）中的天线谐振在2.4 GHz、3.5 GHz以及5.8 GHz 3个频段，其中-10 dB带宽分别为2.38～2.48 GHz、3.5～3.62 GHz和5.66～5.81 GHz。此天线能有效应用于802.11 b规定的2.4～2.485 GHz工作频段、WiMAX规定的3.5 GHz频段和802.11 a规定的5.8 GHz频段内。采用这种开槽和缝隙的方式，实现WLAN和WiMAX的协同使用。

根据图2的分析，利用HFSS软件反复计算，选择得出三频梳状缝隙天线的物理尺寸参数如表1所示。对天线的远场辐射特性进行仿真，分别选取2.4 GHz、3.5 GHz和5.8 GHz作为参考频点，给出xOz面和yOz面的远场辐射状况，其远场分布如图3所示。

图2 天线对应结构的S11曲线图

表1 优化后的天线参数 mm

采用AV3629高性能射频一体化矢量网络分析仪对天线进行测试，为方便比较将天线仿真结果一并放入图中，天线的回波损耗和电压驻波比如图4和图5所示。从图中可以看出，天线的实测结果和仿真结果基本吻合。产生误差的原因是由于制作过程不够严密和介质损耗。

图3 天线远场方向图

图4 天线回波损耗曲线对比图

图5 天线电压驻波比曲线对比图

3 结束语

本文设计了一种可以有效应用在WLAN和WiMAX系统中的三频梳状缝隙天线，利用在辐射贴片上开槽和在接地面上开缝隙的方法，弥补了在通信系统中带宽窄和多个单频天线共同使用等缺陷，但在增益和方向图特征方面还有待进一步研究。

［1］裴强.小型化多频段微带天线的研究与设计［D］.杭州:杭州电子科技大学，2011.

［2］刘景湘，方安安，胡少文.一种应用于WLAN的容性馈电微带天线设计［J］.电子元件与材料，2014，33（3）:58-61.

［3］李伟业，林文斌，杨广立.一种应用于手机中的WLAN三频带天线设计［J］.现代电子技术，2014，37（1）:90-92.

［4］ABUTARBOUSH H F，NILAVALAN R，NASR K M.Reconfigurable tri-band H-shaped antenna with frequency selectivity feature for compact wireless communication systems［J］. IETMicrowavesAntennasandPropagation，2011，5（14）:1675-1682.

［5］CHANG T N，JIANG J H.Meandered T-shaped monopole antenna［J］.IEEE Transactions on Antenna and Propagation，2009，57（12）:3976-3978.

［6］MAHMOUD N，BAKTUR R.A dual band microstrip-fed slot antenna［J］.IEEE Transactions on Antenna and Propagation，2011，57（5）:1720-1724.

［7］ZHANG X Q，JIAO Y C，WANG W H.Compact wide tri-band slot antenna for WLAN/WiMAX applications［J］.Electronics Letters，2012，48（2）:473-476.

［8］任王，邓俊勇，洪少华，等.无线局域网的双频圆极化圆环缝隙天线设计［J］.浙江大学学报，2008，42（8）:1306-1309.

Design of tri-band comb-shaped slot antenna

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

A tri-band comb-shaped slot antenna is designed in this paper.By opening a comb groove and ring groove on the radiation patch and opening an annular gap in the ground，the operating frequency of the antenna is 2.4 GHz，3.5 GHz，and 5.8 GHz，respectively.The antenna uses micro strip line，whose bandwidth at S11-10 dB is 2.38-2.48 GHz，3.5-3.62 GHz and 5.66-5.81 GHz respectively and it can can be well used in the wireless local area network（LAN）and worldwide interoperability for microwave access system.

slot antenna；WLAN；WiMAX

TN822.8

A

2095－0926（2015）02－0015－04

2015-01-07

天津市应用基础及前沿技术研究计划（12JCYBJC10500）；天津职业技术师范大学科研发展基金项目（KJY14-04）.

万小凤（1990—），女，硕士研究生；郑宏兴（1962—），男，教授，博士，硕士生导师，研究方向为天线、微波电路及计算电磁学.