一种用于WiFi频段的小型化双频天线

王利红,孙慧萍，孙彩锋

(山西大同大学物理与电子科学学院，山西大同037009)

一种用于WiFi频段的小型化双频天线

王利红,孙慧萍，孙彩锋

(山西大同大学物理与电子科学学院，山西大同037009)

基于无线WiFi网络的应用，本文提出了一种用于WiFi频段的小型化双频天线。该天线由微带馈线、介质基板和地三部分组成，通过在地面开“王”型缝隙并改变其尺寸就可实现天线的小型化和双频段，该天线尺寸为24×13 mm2，介质基板厚度为1.2 mm，工作频段为2.27～2.55 GHz和5.63～5.87 GHz。最后对制作的实物进行测量，测量结果与仿真结果基本吻合。

WiFi；微带天线；双频段；小型化

WiFi是连接上网的常用方式，随着宽带无线接入技术的飞速发展及应用，人们对无线连接的速度、稳定性等方面的要求越来越高，于是更高频段的5 GHz WiFi便应运而生，结合原有的2.4，可以组成双频WiFi。根据IEEE 802.11b/g和IEEE 802.11ac/n协议标准，WiFi低频工作范围为2.4～2.4825 GHz，高频工作范围为5.15～5.825 GHz，其中高频段常用的是5.725～5.825 GHz。

目前小型化双频WiFi天线的研究已成为一种热点，文献[1]给出了一种宽带多频WiFi天线，该天线采用耦合贴片加载的方法拓宽了高频段的带宽，但其尺寸相对较大。文献[3]提出了一种应用于WiFi频段的单频天线(2.4 GHz)，带宽42 MHz，尺寸39×19.3 mm2。本文利用微带天线技术，提出了一种适用于WiFi频段的小型化双频天线，并采用三维电磁仿真软件HFSS对影响高频和低频的参数进行了分析。

1 天线设计

本文设计的天线结构如图1所示，图1(a)是天线的50欧微带馈线，位于介质基板的上表面，尺寸为15.4×2.4 mm2；图1(b)是天线开有“王”型缝隙的地，位于介质基板的下表面，通过改变此缝隙的形状和尺寸可改变天线的工作频段和实现天线的小型化；天线采用了介电常数为4.4，厚为1.2 mm的RF4介质基板，尺寸为24×12 mm2。

图1 天线结构示意图

2 天线性能分析

2.1 天线的电流分布

图2是天线分别工作在2.4 GHz和5.8 GHz时的电流密度分布图。由电流分布可知高频段的谐振频率主要受l2、w3、l5和w5这些参数的影响，低频段的谐振频率主要受l7和w7的影响。

图2 天线的电流密度分布

2.2 天线的S参数分析

图 3～图 6 分别给出了不同l2、w3、l5和w5值时天线的S参数仿真结果，由图可以看出这四个参数只影响高频段的谐振频率fH。l2、l5和w5的值越大，fH越小，w3的情况则相反。当l2从14 mm增加到17 mm时，fH从5.9 GHz减小到了5.6 GHz；l5从8.6 mm增加到14.6 mm，fH从6.1 GHz减小到了5.4 GHz；w5从0.4 mm增加到0.7 mm，fH从5.9 GHz减小到了5.6 GHz；w3从1.3 mm增加到1.9 mm，fH从5.7 GHz增加到了6 GHz。考虑到WiFi频段的标准，l2、w3、l5和w5的值分别选 15 mm、1.5 mm、12.6 mm和0.5 mm，此时fH为5.8 GHz。

图3 不同l2值时天线的S参数

图4 不同w3值时天线的S参数

图5 不同l5值时天线的S参数

图6 不同w5值时天线的S参数

图7和图8分别给出了不同l7和w7值时天线的S参数仿真结果。可以看出，l7和w7主要影响低频段的谐振频率fL，对高频段fH几乎没有影响，随着l7和w7的增加，低频段fL逐渐减小。当l7从8 mm增加到11 mm时，fL从2.6 GHz减小到了2.3 GHz，w7从1.1 mm增加到1.7 mm，fL从2.8 GHz减小到了2.3 GHz。考虑到WiFi频段的标准，l7和w7的值分别选10 mm和1.5 mm，此时fL为2.4 GHz。

图7 不同l7值时天线的S参数

图8 不同w7值时天线的S参数

优化后天线的具体尺寸见表1。

表1 天线结构参数

最后对天线实物的S参数进行了分段测量，图9是仿真和测量的天线S参数图，由图可见，天线低频段谐振于2.4 GHz，工作频段为2.27～2.55 GHz，带宽为280 MHz，高频段谐振于5.8 GHz，工作频段为5.63～5.87 GHz，带宽为240 MHz。实测曲线与仿真结果基本吻合。工作频带可以覆盖WiFi(2.4～2.484 GHz、5.725～5.825 GHz)频 段 ，符 合 设 计要求。

图9 仿真和测量的S参数图

2.3 天线的辐射方向图

图10和图11为仿真的天线辐射方向图。由图可以看出，天线两个频点的辐射特性基本相似，方向性比较稳定，在工作频段内也几乎实现了全向性。另外，天线H面的交叉极化要比E面交叉极化好，低频处交叉极化要比高频处好。

图10 2.4GHz处仿真的天线辐射方向图

图11 5.8 GHz处仿真的天线辐射方向图

本文利用微带天线技术，提出了一种适用于WiFi频段的小型化双频天线，天线结构简单紧凑，尺寸为24×13 mm2，介质基板厚度为1.2 mm。通过在地面开“王”型缝隙并改变其尺寸实现了天线的小型化和双频段的特性，同时对影响高频和低频的参数进行了分析。仿真与测量结果显示，天线在2.4 GHz谐振点的工作频段为2.27～2.55 GHz，带宽为280 MHz，5.8 GHz谐振点的工作频段为5.63～5.87 GHz，带宽为240 MHz，具有较好的辐射特性，适合在无线通信终端中使用。

3 结语

[1]陈利锋,熊祥正.新型宽频带多频段WiFi天线的设计[J].现在电子技术,2013,36(7)：86-88.

[2]陈雪,张文梅.一种适用于无线通信系统的小型微带天线设计[J].测试技术学报,2013,27(1)：56-60.

[3]刘昕,刘杨.一种应用于WiFi频段的小型化天线设计[J].数字通信,2014,41(6)：59-61.

[4]崔勇,王勇,杨世武.应用于WiFi频段的背腔式缝隙天线设计[J].电波科学学报,2016,31(1)：150-156.

[5]Hau Wah Lai,Hang Wong.Substrate Integrated Magneto-Electric Dipole Antenna for 5G Wi-Fi[J].IEEE TRANSACTIONS ON ANTENNAS AND PROPAGATION,2015,63(2)：870-874.

[6]Ying Liu,Antao Bu,Shuxi Gong.Integrated Internal GSM850/GSM900/DCS/PCS and Wi-Fi Antennas for Mobile Telephone[J].International Symposium on Microwave,Antenna,Propagation,and EMC Technologies for Wireless Communications,2007,24(3)：652-655.

A Compact Dual-frequency Antenna for WiFi Bands

WANG Li-hong,SUN Hui-ping,SUN Cai-feng
(School of Physics and Electronics Science,Shanxi Datong University,Datong Shanxi,037009)

A compact dual-frequency patch antenna suitable for WiFi bands was proposed on the basis of application of wireless WiFi network.It consists of a microstrip feed line and a ground plane printed on substrate with a thickness of 1.2 mm.The miniaturization and dual-frequency of antenna are rehzed by etching wang-shaped slot onground and adjusting its size.The designed antenna has a small size of 24 ×13 mm.Lastly，the antenna is fabricated and measured，and the measured results are in good agreement with the simulated results.The simulated and measured results show that it can operate from 2.27-2.55 GHz and 5.63-5.87 GHz.

WiFi；microstrip antenna；dual-frequency；miniaturization

TN821+.3

A

1674-0874(2017)06-0028-04

2017-06-30

山西省科技攻关项目[2015031002-1]；山西大同大学2016年度青年科研基金项目[2016Q5]

王利红(1986-)，女，山西吕梁人，硕士，助教，研究方向：射频与微波通信。

〔责任编辑 高彩云〕