一种应用于WLAN的单层宽频微带天线设计

宋 杰，于 映，王寅豪

（南京邮电大学 电子科学与工程学院，江苏 南京 210003）



一种应用于WLAN的单层宽频微带天线设计

宋 杰，于 映，王寅豪

（南京邮电大学 电子科学与工程学院，江苏 南京 210003）

摘要:设计了一种应用于WLAN的宽频微带天线，通过开槽技术及引入共面寄生贴片实现天线的三谐振，并在寄生贴片上加载短路销钉减小天线尺寸。利用电磁仿真软件HFSS13.0对天线进行仿真，仿真结果表明，该天线的频带宽度为普通矩形微带天线的3到4倍，并且具有适中的增益。寄生贴片上加载短路销钉后，其面积减小为原来的一半。

关键词:微带天线；宽频带；开槽；三谐振频率；寄生贴片；短路销钉

宋杰（1990－），男，江苏苏州人，研究生，主要从事微波无源器件的研究，E-mail:sj020810@163.com 。

网络出版时间：2016-05-31 11:09:41 网络出版地址：http://www.cnki.net/kcms/detail/51.1241.TN.20160531.1109.017.html

由于微带天线具有体积小、剖面低、质量小、易馈电以及易与载体共形安装等优点，被广泛应用于测量和通讯的各个领域[1-2]。但是，由于微带天线是一种谐振式天线，高Q特性决定了其带宽较窄。对于如何展宽微带天线的带宽，已经有了很多有效的方法。从目前的情况来看，常用的技术包括采用厚介质基板、多层结构、L形馈电[3]、多谐振器结构、在贴片上开槽[4]、对馈电电路采用宽带阻抗匹配等。

本文首次提出同时采用开槽和引入寄生贴片的方法，设计了工作频率在2.4～2.6 GHz的天线。该天线具有宽频带，增益适中等特点。并在此基础上，通过在寄生贴片上加载短路销钉，减小天线尺寸。

1　 天线结构

本文所设计的宽带天线主要由微带馈电结构、开槽的矩形辐射贴片和寄生辐射贴片、介质基板组成，其基本结构如图1所示。通过在上辐射边开槽，增加电流路径，产生一个新的谐振频率[5]。另外引入一个共面寄生贴片，尺寸与辐射贴片相当，又产生一个新的谐振频率[6-7]。当两个新的谐振频率和原来的谐振频率靠近时，微带天线的带宽便得到展宽。本文所使用的基板为FR4，基板面积为55mm×75mm，厚度为1.512mm，相对介电常数er=4.4，损耗角tand = 0.02。

由于引入共面寄生贴片，天线尺寸明显增加，因此对上一种结构的天线进行改进，改进后天线结构如图2所示。在共面寄生贴片上加载短路销钉。短路销钉均匀地分列于贴片边缘，用以调谐天线。通过调节短路销钉的粗细和数量，能有效降低寄生贴片的大小。

图1 天线结构图Fig.1 Geometry of the antenna

图2 改进的天线结构图Fig.2 Geometry of improved antenna

天线的中心频率为2.45 GHz，天线的谐振频率和尺寸的关系有如下公式[8]

式中：c表示光速；fr为天线谐振频率；为贴片天线边缘场引起的等效长度；为介质相对介电常数；为有效介电常数；Wp为辐射贴片宽度；L为辐射贴片长度；H为衬底厚度；Ls为槽的长度；Ld为槽和上辐射边中点的距离。通过开槽新增的谐振频率和槽尺寸的关系有如下公式[9]

根据式（1）～（5），确定天线的初始尺寸，其中L=28mm，Lp=27mm，Wp=35mm，gap=1mm，Lf=8mm，Lfeed=2.88mm，Wf=0.3mm，Ws=1mm，Ld=6mm，Ls=12mm。

2　 天线的设计与仿真分析

影响图1中天线性能的主要因素有辐射贴片和寄生贴片的尺寸、辐射贴片和寄生贴片之间缝隙距离以及辐射贴片上缝隙的尺寸。在HFSS中建立模型，对天线进行仿真分析。

该天线可以产生三个谐振频率，由于槽和寄生贴片的尺寸对微带天线的谐振点有很大的影响，在此重点讨论槽和寄生贴片的不同参数对天线的影响。为了研究方便，其他参数都设为初始参数，分别改变Ls和Lp的值以考察。

当增加槽竖向长度Ls时，高频的谐振点明显降低，另外两个谐振点基本不变，如图3所示。当增加寄生贴片长度时，低频谐振点降低，另外两个谐振点基本不变，如图4所示。

图3 天线反射系数S11和Ls的关系Fig.3 Relationship of reflection coefficient S11of antennas and Ls

图4 天线反射系数S11和Lp的关系Fig.4 Relationship of reflection coefficient S11of antennas and Lp

通过仿真分析，得到优化后的最佳尺寸如表1示。

表1 天线的优化尺寸参数值Tab.1 Optimized size parameters of the antenna mm

优化后的天线的仿真性能参数S11和远场区增益方向图如图5、图6所示。

图5 天线S11仿真结果Fig.5 Simulation results of S11of the antenna

图6 天线在各个中心频率的E 面和H 面辐射方向图Fig.6 Radiation patterns in E and H directions of the antenna at the center frequencies

由上述可知，天线在2.4～2.6 GHz范围内的反射系数都处于–10 dB以下，天线的绝对带宽为200 MHz，而普通矩形微带天线的绝对带宽为53 MHz。天线共有三个谐振点，在谐振频率2.47 GHz时，增益为3.6 dB；当谐振频率为2.54 GHz时，增益为2.2 dB；当谐振频率为2.62 GHz时，增益为4.2 dB。而普通矩形微带天线增益为3.1 dB。

图2和图1的天线性能随结构尺寸变化具有相同的规律。通过仿真分析得到图2中改进后的天线最佳尺寸如表2所示。

表2 改进后天线的优化尺寸参数值Tab.2 Optimized size parameters of the improved antenna mm

改进后天线的S11如图7所示。天线在2.4 ～2.62 GHz的频带范围内S11小于–10 dB，天线的绝对带宽达220 MHz，相较于原来的天线带宽增加20 MHz，但共面寄生贴片尺寸较之前减小了约50%。

图7 改进后天线S11仿真结果Fig.7 Reflection coefficient S11simulating result of improved antenna

3　 结论

通过对微带天线开槽和引入共面寄生贴片的方法，设计了两种工作频率在2.4～2.6 GHz的微带天线，并利用HFSS对天线进行优化仿真。两种天线带宽都达到200 MHz，是普通矩形微带天线带宽的3～4倍，且增益适中。该天线覆盖了WLAN国际标准802.11b规定的2.4～2.483 5 GHz的频率范围。

参考文献：

[1] 邵俊欢, 王新彦, 高玉恒, 等. 一种应用于WLAN/WiMAX的双频微带天线 [J]. 电子元件与材料, 2015, 34(4): 51-54.

[2] 孔令荣, 王昊. WLAN频段新型EBG微带天线的设计与分析 [J]. 电子元件与材料, 2014, 33(12):57-60.

[3] 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.

[4] LIU S, QI S S. Single-layer single-patch four-band asymmetrical U-slot patch antenna [J]. IEEE Trans Antenna Propagation, 2014, 62(9):4895-4899.

[5] CHOO H, HUTANI A. Shape optimization of broadband microstrip antennas using genetic algorithm [J]. IET Electron Lett, 2000, 36(25):2057-2058.

[6] SUNG Y. Bandwidth enhancement of a microstrip line-fed printed wide-slot antenna with a parasitic center patch [J]. IEEE Trans Antenna Propagation, 2012, 60(4):1712-1716.

[7] NISHIYAMA E, AIKAWA M. Wide-band and high-gain microstrip antenna with thick parasitic patch substrate [J]. IEEE Antenna Propagation Soc Int Symp, 2004, 1(1):273-276.

[8] 赵文来, 杨秀俊, 李霖. 一种双频微带贴片天线的设计 [J]. 浙江理工大学学报, 2012, 29(5):698-701.

[9] TONG K F, LUK K M, SHUM S M. Analysis of broadband U-slot microstrip antenna [C]//Tenth International Conference on Antennas and Propagation. NY, USA:IEEE, 1997:110-113.

（编辑：陈渝生）

Design of single-layer broadband microstrip antenna for WLAN application

SONG Jie, YU Ying, WANG Yinhao
(College of Electronic Science and Engineering, Nanjing University of Posts and Teleco mmunications, Nanjing 210003, China)

Abstract:A broadband microstrip antenna for WLAN application was designed. The three resonances of the antenna were realized by the slotting technique and the introduction of coplanar parasitic patch. The antenna size was descended by loading shorted pin on the patch. The antenna was simulated and analyzed with simulation software HFSS 13.0. Simulation results show that compared to the conventional rectangular microstrip antenna, the bandwidth of proposed antenna is increased by a factor of three to four and the gain is moderate. Parasitic patch area is reduced by a factor of two by loading shorted pin.

Key words:microstrip antenna; wide band; slotting; three resonant frequencies; parasitic patch; shorted pin

doi:10.14106/j.cnki.1001-2028.2016.06.017

中图分类号:TN822

文献标识码:A

文章编号:1001-2028（2016）06-0082-03

收稿日期：2016-03-11 通讯作者：于映

基金项目：东南大学毫米波国家重点实验室开放课题资助(No. K201412)；南京邮电大学项目资助(No. NY213114)

作者简介：于映（1968－），女，江苏南京人，教授，主要从事微波无源器件的研究，E-mail:ying_yu_001@163.com ；