共面波导馈电的双频天线设计

彭 升，郑宏兴，张玉贤 万小凤

（天津职业技术师范大学天线与微波技术研究所，天津 300222）

共面波导馈电的双频天线设计

彭 升，郑宏兴，张玉贤 万小凤

（天津职业技术师范大学天线与微波技术研究所，天津 300222）

设计了一种用共面波导馈电的双频天线，由切角的矩形和等腰梯形结构组合而成，使天线工作在2.32～2.57 GHz和5.2～5.8 GHz频段。仿真和实测结果表明：采用共面波导馈电使天线辐射的远场方向图有更好的对称性，这种天线工作频段内S11参数小于-10 dB，电压驻波比小于1.5，相对工作带宽达到52%，可应用于无线局域网通信中。

共面波导馈电；平面型天线；无线局域网

无线局域网和通信技术的快速发展，对设备的小型化和宽频带提出了新的要求，为了更好地适应这种需求，平面型天线[1]的应用研究是非常必要的。同时，无线通信系统要求设备能高效可靠收发数据，要求天线能够多频带工作，为此人们研究了多种小型多频宽带天线[2-3]。文献[2]中作者提出了一种可同时工作于无线局域网（wireless local area networks，WLAN）和全球微波互联接入（worldwide interoperability for microwave access，WiMAX）应用频段的双频宽带印刷单极子天线，文献[3]研究了一种宽带折叠平面单极子天线，可满足分散控制系统（distributed control system，DCS）、个人通讯服务（personal communications service，PCS）以及WLAN等应用。上面提及的这些天线单元，前者尺寸偏大，后者采用探针馈电，都较难与系统集成。共面波导作为一种平面传输线结构[4]，容易实现与其他微波器件的集成。共面波导馈电的天线设计[5-6]主要围绕宽频带、小型化等方面进行。文献[7-8]提出的共面波导宽频带天线，利用共面波导给矩形贴片馈电，通过调节宽带微带贴片和接地板间的距离，辐射贴片和馈线间可获得良好的阻抗匹配，从而实现52%的阻抗带宽，但是其设计工作频段只是单个频段，不能满足当前无线局域网通信要求。本文设计出一种共面波导馈电的双频天线，天线可以工作在2.32～2.57 GHz和5.2～5.8 GHz频段，且制作简单，可集成在无线路由器、无线网卡等设备上。

1 天线结构设计

天线采用平面结构，分为5个部分，如图1所示。辐射贴片是由被切角的矩形1和倒置的等腰梯形2组成，制作在相对介电常数εr=4.4，厚度h=1.6 mm的损耗FR4基板上，尺寸为L×W。天线采用共面波导馈电，对馈线的宽度wf和缝隙s0进行合理的调整，使得天线在2.32～2.57 GHz和5.2～5.8 GHz频段都有着较好的阻抗匹配。

图1 天线结构图

共面波导结构一般采用介电常数较高的基板[9]，波导内部的波长小于λ0，因此电磁场集中在介质和空气界面附近。由于在金属导带和接地导带之间存在交变电磁场，交变电磁场在空气和介质基片的交界处，可以产生纵向和横向的交变电磁场，对于传统的金属波导而言，它的传输模式只有TE、TM波，而共面波导因其性质不同，它传输的是准TEM波。共面波导用做传输线若要传导TEM波，约束条件为:

式中:d=2wf+s0，图1中3、4和5共同组成一个共面波导结构，波导尺寸s0和w1需要重点考虑，其他参数的选取采用电磁仿真软件HFSS15.02进行分析。

2 参数选择及实验

参数s0与波导缝隙尺寸相同，首先调节s0得到天线的S11参数如图2所示。当s0增大时，高频传输零点上移，而低频零点基本不动，说明s0对5.2～5.8 GHz频段的影响明显。图3～图7为天线S11随w1、l1、l2、s3和w4的变化情况，观察w1对天线的S11参数的影响，随着w1增大，高频传输零点明显向右偏移，而对2.32～2.57 GHz频段的谐振频率影响较小，由图3可知，w1对天线S11参数的影响非常显著；必要观察l1变化时，由图4可知，l1对天线2个频段谐振都有着一定影响，它的增大有助于展宽高频段的带宽。继续观察l2变化时，由图5也可以发现，它的增大主要影响高频段的带宽，当l2=6 mm时，高频段带宽最大。观察s3变化时，由图6可知，s3主要影响低频段的带宽，当s3=26 mm，低频段带宽最大。最后观察w4变化时，改变矩形的长w4，由图7可以可知，w4主要影响低频段的中心频段，低频段中心频率随着w4的增大而左移，当w4= 21.5 mm时，天线在2.32～2.57 GHz频段得到最优谐振。图2～图7给出了天线尺寸的选择依据，根据上述分析，得到最佳尺寸参数如表1所示。

图2 天线S11随s0变化情况

图3 天线S11随w1变化情况

图4 天线S11随l1变化情况

利用表1的尺寸加工天线样品，如图8所示。采用AV3629高性能射频一体化矢量网络分析仪对天线实物S11和VSWR进行测量，实测结果与仿真结果对比如图9和图10所示，测试结果和仿真结果基本吻合。天线的实测结果较仿真结果整体向左偏移，造成这种现象的原因可能是由于加工条件的限制，介质板的介电常数在高频时出现的偏移也会带来一定的偏差，此外测量过程中的干扰或者是测量值的起伏也可能造成误差。总体来说，天线在2.32～2.57 GHz、5.15～5.80 GHz两个频段内的S11参数小于-10 dB，并且天线各频段中心频率处的S11最小值均在-20 dB以下，达到了良好的向外传输特性，天线的VSWR如图10所示，可以看到天线在以上各频段内的VSWR＜1.5。图11为天线在3个工作频点的E面和H面方向图，H面的方向图呈圆形，可以收发各个方向的信号，E面的方向图呈近似的哑铃型，这表明天线具有良好的全向辐射特性。

图5 天线S11随l2变化情况

图6 天线S11随s3变化情况

图7 天线S11随w4变化情况

表1 天线尺寸参数 mm

图8 天线实物图

图9 天线回波损耗曲线图

图10 天线电压驻波比曲线图

图11 天线远场方向图

3 结束语

本文设计了一种共面波导的双频天线，有效地实现了天线的小型化和平面化，能够同时工作在2.32～2.57 GHz和5.2～5.8 GHz频段。天线结构简单，制作方便，结构参数易于调整，在无线局域网通信中将会有更好的发展前景。

［1］张厚.共面波导馈电平面天线［M］.西安:西安电子科技大学出版社，2014.

［2］PAN C Y，HORNG T S，CHEN W S，et al.Dual wideband printed monopole antenna for WLAN/WMiAX applications［J］.IEEE Antennas and Wireless Propagation Letters，2007（6）:149-150.

［3］LEE G Y，YEH S H，WONG K L.A broadband folded planar monopole antenna for mobile phones［J］.Microwave Optics Technology Letters，2002，33（3）:165-167.

［4］WEN C P.Coplanar waveguide:A surface strip transmission line suitable for nonreciprocal gyromagnetic device applications［J］.IEEE Transaction on Microwave Theory and Techniques，1969，17（12）:1087-1090.

［5］CHAIR R，KISHK A A，LEE K F，et al.Microstrip line and CPW fed ultra wideband slot antennas with U-shaped tuning stub and reflector［J］.Progress in Electromagnetics Research，2006，56（5）:15-17.

［6］DAVIS M E.Finite boundary corrections to the coplanar waveguideanalysis［J］.IEEE TransactionsonMicrowaveTheory and Techniques，1973，21:594-596.

［7］WANG C M，GAO X J.Technologies of broad-band microstrip antenna［J］.Electronic Warfare Technology，2003，18（5）: 23-27.

［8］JUNTUNEN J S，TSIBOUKIS T D.Reduction of numerical dispersion in FDTD method through artificial anisotropy［J］. IEEE Transactions on Microwave Theory and Techniques，2000，48（4）:582-588.

［9］WILSON A，ARTUZI J.Characterization and measurements of laterally shielded coplanar waveguide at millimeter wavelengths［J］.IEEE Transactions on Microwave Theory and Techniques，1994，42（1）:150-153.

Design of dual-band antenna fed by coplanar-waveguide

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

A dual-band antenna is proposed in this paper.It is constructed with corner-free rectangle and isosceles trape zoid，and fed by a coplanar-waveguide（CPW）.Operation frequencies of the antenna are in 2.32-2.57 GHz and 5.2-5.8GHz. Simulation and measurement results show that the antenna has good symmetrical radiation pattern in far field as using CPW feed，and has wonderful impedance bandwidth and radiation efficiency，and the antenna S11parameter below-10 db in working frequency band；VSWR below 1.5，the work relative bandwidth reaches 52%.It can be used in the wireless local area networks communication system.

coplanar-waveguide；plane antenna；wireless local area networks

TN822.8

A

2095－0926（2015）02－0019－04

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）.

彭 升（1990—），男，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.