用于无线局域网的三频印刷天线设计

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）



用于无线局域网的三频印刷天线设计

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）

摘要：设计一种三频印刷天线，利用在辐射贴片上开槽和添加枝节的方法，实现在无线局域网（WLAN）系统工作的要求。这种天线的带宽分别是210 MHz（2.31～2.52 GHz）和1.95 GHz（4.30～6.25 GHz），有效覆盖了WLAN的2.4 GHz、5.2 GHz和5.8 GHz 3个频段。在不同频点对天线的表面电流进行了分析和讨论。实测结果表明：这种天线具有良好的远场辐射特性，其增益可达5.2 dB。

关键词：三频印刷天线；开槽；枝节；电流分布；无线局域网

微带天线具有体积小、重量轻、易共形等优点，在移动通信、卫星通信、广播电视等方面都有广泛的应用。由于无线电系统的快速发展，人们对天线的要求也越来越高，单一频段的天线已不能满足社会的需求。无线局域网（wireless local area network，WLAN）的出现正逐步取代旧的有线网络模式，实现无地域限制的无线信号连接。目前的无线局域网主要工作在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）3个频段[1-2]，可以同时工作在无线局域网多个频段的天线是目前国内外学者的研究热点。多频天线的实现方式有很多种，一般比较常用的是辐射贴片和接地板开槽技术、短路探针加载、多层介质结构和多层金属贴片技术[3]。本文利用2个辐射单元，通过开槽和添加枝节，设计了一个可以同时工作在WLAN 3个频段内的天线。这种天线具有结构简单、设计方便等优势，在实际应用中有重要的使用价值。

1　天线结构设计

微带天线的辐射是由天线导体边缘与地板之间的场产生的。Zhu[4]在他提出的场论中详细研究了微带天线的不连续性辐射，他的分析基础是导体中的电流。这种方法也可用于研究辐射对微带天线品质因数的改变与作用方面。由此分析，辐射对品质因数等的影响可以描述为工作频率、基片厚度、相对介电常数及谐振器尺寸的函数[5]。理论和实验结果都表明，在高频段时，天线辐射的损耗要远大于导体和介质的损耗；而基片越厚，开路的微带线辐射越强。

将矩形微带贴片天线作为分析对象，运用传输线模型法分析微带天线的辐射原理。假设矩形微带天线辐射单元的长和宽分别为L和W，介质基片厚为h，工作波长为λg，这时可将微带天线看作一个2端断开形成开路的长L为λg/2的微带传输线[6-7]。接地板与介质基片的电场在贴片厚度h和宽度W的方向上并无变化，而是仅沿长度L方向进行变化，因此辐射场可以看作是由贴片沿长度L方向上开路端的边缘场引起的。这时，将边缘场分解为水平分量和垂直分量，由于L≈λg/2，所以水平方向上的电场分量是同相的，而2开路端的垂直方向上的电场分量方向相反，该分量产生的场会相互抵消。因此，矩形微带天线可看作为无限大的平面上进行同相激励的2个缝隙，2个缝隙宽度近似等于介质板的厚度[8]。远区辐射场主要由该分量场产生，最大辐射方向在垂直于贴片的方向，微带天线的辐射可以看作由2个缝隙组成的二元阵。

为实现天线在多个频段工作的目的，本文在微带天线的结构基础上进行改进，设计了2个辐射单元结构，如图1所示。天线印刷在介质基板上，介质基板采用相对介电常数为4.4的FR4材料，基板的长宽高尺寸为L×W×H。介质基板上表层形状如图中灰色部分显示，其中阴影部分表示接地板。该天线主要由介质基板、辐射贴片、微带馈电线和接地板组成。接地板长宽尺寸为L2×W，微带馈线长宽尺寸为L1×W1，其中辐射贴片是由一个未封闭环状结构和一个h形结构组成。h形结构由3个小矩形合并而成，宽度都为w，未封闭环状结构由一个矩形和一个圆环组成。大圆半径为R1，在大圆内切掉一个半径为R2的小圆，并且在环状结构右上方开一个长宽尺寸为L6×W3的矩形槽。图中O点为圆心和环状结构矩形中点。

图1　天线结构图

2　天线结构分析

通过HFSS软件对所设计的天线进行设计，当辐射贴片只是一个圆形和一个矩形的组合时，其对应的S11曲线如图2所示。可见此时天线只有一个谐振频率，在5 GHz附近，是一个单频印刷天线。从图2中可以看出天线-10 dB带宽范围为3.9～6.1 GHz。为减小天线体积，采用在辐射贴片上开槽的方法来实现双频。当在圆形和矩形组合辐射贴片上开一个圆形槽时，天线带宽有轻微的缩小和向左偏移的趋势，由3.9～6.1 GHz变为3.7～5.7 GHz，天线的S11曲线图如图3所示；当圆形槽半径变化时，天线带宽变化如图4所示，圆形槽半径越大，天线频带越往左偏移。

图2　简单单频天线S11图

图3　开有圆形槽的单频天线S11图

当在开完圆形槽的辐射贴片上增加一个倒置的L形结构时，由于给天线增加了一个调谐枝节，天线由单频转变为双频，外围的环状结构确定中心频点在4.7 GHz左右，而中间的L形结构决定中心频点位于6.1 GHz，其结果如图5所示。这种天线结构下的-10 dB带宽范围为3.7～5.1 GHz和5.85～6.6 GHz。

由图5可知天线频段总体偏高，为达到设计要求，将倒置的L形调谐枝节转换为h形枝节，天线总体频段有所下降，结果如图6所示。环状结构直接控制着天线在低频段3.7～4.38 GHz的频率响应，h形结构控制可对高频段4.68～6.05 GHz进行调制，其中高频段适用于无线局域网通信系统。由于4.3 GHz频段应用率较低，因此采用在环状结构辐射贴片上开矩形槽的方法，降低低频段频率，使天线低频段中心频率控制在2.4 GHz。未封闭结构天线S11图如图7所示，经过开矩形槽后，天线的2个频段分别为2.31～2.52 GHz 和4.3～6.25 GHz，完全覆盖无线局域网系统的3个频段。

图4　S11随半径R2的变化图

图5　圆形槽内加到L枝节天线S11图

图6　圆形槽内加h形枝节天线S11图

图7　未封闭结构天线S11图

天线贴片金属上的电流分布如图8所示。当f = 2.4 GHz，天线的最大电流分布主要集中在左侧，如图8（a）所示。由于矩形槽的存在使电流被截断，从而无法和右侧构成电磁回路，电流仅在左侧进行振荡。当f = 5.2 GHz，最大电流分布主要集中在h形结构上，如图8（b）所示。此时，两边的电流分布非常微弱，显然是单一的模式。当f = 5.8 GHz，天线的最大电流基本分布在右侧，而左侧也存在一部分比较大的电流，二者对5.8 GHz时的电磁向外辐射起到共同影响的作用，电流分布情况如图8（c）所示。

图8　天线在不同频点的电流分布图

3　实验结果

根据分析，选择最佳天线结构设计结果，得出天线参数如表1所示。分别选取工作频段内的2.4 GHz、5.2 GHz和5.8 GHz作为参考频率点，对天线的远场辐射特性进行仿真。通过xOy和yOz平面可观察天线的远场辐射特性，其远场方向图如图9所示。由图9可看出，在2.4 GHz、5.2 GHz和5.8 GHz工作频段内，天线具有很好的全向辐射特性。

表1　优化后的天线参数mm

根据表1的天线尺寸，做出相应的天线实物，如图10所示。采用AV3629高性能射频一体化矢量网络分析仪对天线反射系数和电压驻波比进行测试，测试结果如图11和图12所示。将相同几何参数天线的仿真曲线放在图中进行对比可知，虽有部分误差存在，但二者整体保持一致。

图11　天线S11曲线实测和仿真对比图

图12　天线VSWR曲线实测和仿真对比图

4　结束语

本文设计了一个应用于WLAN系统中的三频天线，天线在WLAN规定使用的2.4 GHz、5.2 GHz和

5.8GHz频段上具有较宽的带宽，方向图和增益达到要求，利用2个辐射单元就可覆盖WLAN的3个频段，结构简单，设计方便。

参考文献：

［1］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.

［2］ZHANG Z B.A design of multi-frequency antenna used for WLAN and WiMAX system[D].Dalian：Dalian Maritime Affairs University，2013.

［3］LIN P，RUAN C L，WU X H.Design and operation of dual/ triple-band asymmetric M-shaped microstrip patch antennas [J].IEEE Antennas and Wireless Propagation Letters，2010，9（2）：1069-1072.

［4］ZHU J，ANTONIADES M A，ELEFTHERIADES G V.A compact tri-band monopole antenna with single cell metamaterial loading[J].IEEE Transaction on Antennas and Propagation，2010，58（4）：1031-1038.

［5］BEHERA PAL A，VINOY K J.Design of multi-frequency microstrip antennas using multiple rings [J].IET Microwave Antennas Propagation，2009，3（1）：77–84.

［6］ABUTARBOUSH H F，SHAMIM A.Paper-based inkjetprinted tri-band U-slot monopole antenna for wireless applications[J].IEEE Antennas and Wireless Propagation Letters，2012，11（4）：1234-1237.

［7］GAI S，JIAO Y C，ZHU P.A miniaturization novel monopole antenna applied to WLAN [J].Journal of Microwave，2010，25（3）：172-174.

［8］QIANG P.The research and design of miniaturized multiband microstrip antenna[D].Hangzhou：Hangzhou University of Electronic Science and Technology，2011.

A tri-band printed antenna designed for WLAN

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

Abstract：A tri-band printed antenna is designed in this paper.By using slotted and added minor on the radiation patch，the requirements for implementation in wireless local area network（WLAN）systems are realized.The bandwidth is 210 MHz（2.31-2.52 GHz）and 1.95 GHz（4.30-6.25 GHz），covered 2.4 GHz，5.2 GHz and 5.8 GHz of the WLAN.In this paper，the surface current of the antenna is analyzed and discussed at different frequency points.Experimental results show that the antenna is with good far field radiation characteristics，and the corresponding gain up to 5.2 dB.

Key words：tri-band printed antenna；slotting；minor；current distribution；wireless local area network（WLAN）

作者简介：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.

基金项目：国家自然科学基金资助项目（61371043）.

收稿日期：2015-09-10

中图分类号：TN822

文献标识码：A

文章编号：2095－0926（2016）01－0014－04