一种应用于ISM频段和WiFi频段的共面波导型天线

张笑恒 贺青 迟宗涛

摘要：  针对传统刚性天线存在尺寸大和剖面高的问题，本文设计一种应用于ISM频段和WiFi频段的共面波导型天线。选用介电常数为3.5，损耗角正切0.002，厚度为50 μm的柔性聚酰亚胺基板，通过共面波导的馈电方式，在初始矩形贴片天线的基础上，进行缝隙切割和增加天线谐振回路的方法调整带宽。同时，通过Ansoft公司推出的三维立体电磁仿真软件对该天线进行优化。优化结果表明，通过对辐射贴片进行缝隙切割，可以在不增加天线尺寸的前提下改变天线电流分布路径，实现带宽和谐振频率同时向低频移动。该天线具有20 mm×30 mm×0.05 mm的紧凑尺寸，仿真-10 dB以下的工作带宽为2.34～2.53 GHz，较好的满足ISM2.4 GHz（2.42～2.484 8 GHz）和WiFi2.4 GHz（2.412～2.472 GHz）的频段，是一款结构简单、易于加工、低成本、重量轻、尺寸小、剖面低的柔性天线。该研究为超薄柔性天线的小型化设计提供了解决方法。

关键词：  柔性天线; ISM频段; WiFi2.4; 低剖面; 共面波导; 小型化

中图分类号： TN822  文献标识码： A

天线作为无线通信的重要部件，其性能好坏影响着整个系统的信号强弱。近年来，在工业、科学、医疗频段有着广泛应用的ISM频段、WiFi频段[12]和5G[34]等无线通信技术获得快速发展。WiFi频段做为无线通信技术中的重要研究方向受到越来越多的关注[56]。李学识等人[7]在相对介电常数为3.66的罗杰斯4350基板上，设计了一款新型的基于互补开口谐振环结构和条形缝隙的贴片天线，尺寸为72 mm×63 mm×1.58 mm;王利红等人[8]在介电常数为4.4的FR4基板上，提出一种用于WiFi频段的小型化双频天线，天线尺寸为24 mm×13 mm×1.2 mm;邓文强等人[9]提出了一种应用于2.4/3.4 GHz/WiFi/5 G的双频段微带贴片天线，天线尺寸为40 mm×40 mm×1.6 mm。由于天线曾多次与穿戴技术相结合，在人体穿戴领域具有广泛的应用[1015]。目前，穿戴天线主要有织物天线[16]、纽扣天线[1719]和柔性天线三类[20]。王培杰等人[2122]设计的穿戴天线具有较好的通讯性能，但弯曲性能较差，不具备可穿戴性。为能更好的适应人类需求，提高穿戴者的舒适感，可穿戴设备往往需要具备体积小、厚度薄、易与人体共形、灵活轻便等特性。相比于其他几种可穿戴天线，柔性天线具有可弯曲性和质量轻薄的特点，可以较好的满足穿戴需求。许德成等人[23]设计出的双频微带柔性可穿戴天线，在弯曲状态下仍然保持较好性能。虽然柔性天线具有较好的发展前景，但所研究的天线厚度都在1 mm以上，不利于天线的小型化和共形。因此，本文设计了一种应用于ISM频段和WiFi频段的共面波导型柔性天线，天线厚度只有50 μm，较好的满足ISM频段和WiFi频段在2.4 GHz处的带宽要求。该研究为超薄柔性天线的小型化设计提供了理论依据。

1 天线模型

天线尺寸为20 mm×30 mm×0.05 mm。天线贴片是在矩形贴片的基础上设计，对矩形贴片进行缝隙切割，切割出两个“山”字型对立贴片，地面是两个对称的矩形贴片，天线衬底是厚度为50 μm的聚酰亚胺基板，相对介电常数3.5，损耗角正切0.002。由于天线厚度很薄，微带线馈电很难保证其特性阻抗为50 Ω，因此采用共面波导馈电。本文优化后的天线尺寸为：L=30 mm，L1=5.5 mm，L2=12 mm，L3=14.6 mm，L4=8 mm，L5=1.5 mm，L6=1.5 mm，W=20 mm，W1=7.75 mm，W2=3.5 mm，W3=2 mm，W4=7 mm，g=0.5 mm。天线结构如图1所示。

2 天线设计

通过Ansoft公司推出的三维立体电磁仿真软件，对本文所设计的天线进行优化，优化后的|S11|曲线在-10 dB以下带宽满足2.42～2.484 8 GHz。给出初始天线参考模型（ANT1），随后对模型ANT1进行矩形缝隙切割，得到参考模型ANT2，并对模型ANT2进行贴片缝隙切割，得到最终优化后的天线，天线设计过程参考模型如图2所示。

将模型ANT1、ANT2和优化后天线|S11|进行对比分析，参考天线与优化后天线|S11|对比结果如图3所示。

由图3可以看出，模型ANT1天线在-10 dB以下带宽为3.09～3.37 GHz，对模型ANT1进行缝隙切割后，天线的谐振回路发生变化，贴片的等效长度边长及模型ANT2的带宽会向低频移动，此时模型ANT2的天线在-10 dB以下带宽为2.97～3.84 GHz，而经过优化后的天线在-10 dB以下带宽为2.34～2.53 GHz，该设计满足ISM频段2.4 GHz的要求。

3 天線仿真分析

设地面高度为L4，优化后天线|S11|随L4变化曲线如图4所示。由图4可以看出，当L4取8，9，10，11，12 mm时，优化后天线的带宽分别为2.34～2.53，2.35～2.53，2.37～2.53，2.39～2.54和2.43～2.53 GHz。当L4从8 mm增加到12 mm时，带宽和谐振频率向高频移动，在L4取8 mm时，带宽最优。

设地面之间的缝隙为g，优化后天线|S11|随g变化曲线如图5所示。由图5可以看出，当g取0.25，0.5，0.75 mm时，天线带宽分别为2.37～2.56，2.34～2.53，2.31～2.48 GHz。虽然缝隙越小，带宽曲线会越靠下，但在天线的制作过程中很难实现。因此，综合考虑天线带宽和制作难度，g取0.5 mm。

4 结束语

本文主要设计了一种应用于ISM频段和WiFi频段的共面波导型天线。在厚度为50 μm的柔性聚酰亚胺基板上，采用共面波导和贴片缝隙切割实现天线的带宽，并进行仿真优化。仿真结果表明，在-10 dB以下的工作带宽为2.34～2.53 GHz，满足设计要求，为天线的小型化设计提供了方法。由于共面波导馈电的天线在带宽方面性能较好，但增益为2.11 dB欠佳，这也是本文天线的不足之处。与以往ISM2.4 GHz和WiFi2.4 GHz频段天线相比，本文优化后的天线具有尺寸小和剖面低的优势，并且天线衬底价格低廉、模型简单、为大规模生产提供可行性。同时，该天线适用于可折叠的WWAN终端、WBAN设备和医疗传感器等。下一步将研究如何提高天线增益，以在柔性天线领域获得更好的成果。

参考文献：

[1] Sugimoto H， Sasagawa D， Suzuki Y， et al. Higher data rate wireless LAN system based on OFDM[C]∥International Symposium on Wireless Personal Multimedia Communications， Honolulu， HI， USA： IEEE， 2002： 734737.

[2] Nee R V， Jones V K， Awater G， et al. The 802.11n MIMO-OFDM standard for wireless LAN and beyond[J]. Wireless Personal Communications， 2006， 37（3）： 445453.

[3] Yang B Q， Yu Z Q， Lan J， et al. Digital Beamforming-based massive MIMO transceiver for 5G Millimeter-wave communications[J]. IEEE Transactions on Microwave Theory and Techniques， 2018， 66（7）： 34033417.

[4]  郑丽萍， 和铭. 应用于5G无线通信的微带周期结构带通滤波器设计[J]. 重庆邮电大学学报： 自然科学版， 2019， 31（4）： 517523.

[5] Bolcskei H. MIMO-OFDM wireless systems： basics， perspectives， and challenges[J]. IEEE Wireless Communications， 2006， 13（4）： 3137.

[6] Bejarano O， Knightly E， Park M. IEEE 802. 11ac： from channelizaion to multi-user MIMO[J]. IEEE Communications Magazine， 2013， 51（10）： 8490.

[7] 李学识， 蔡述庭， 余金全， 等. 兼容4G/WiFi/WiMAX的新型寬带人工电磁媒质天线设计[J]. 电讯技术， 2016， 56（12）： 13871392.

[8] 王利红， 孙慧萍， 孙彩锋. 一种用于WiFi频段的小型化双频天线[J]. 山西大同大学学报： 自然科学版， 2017， 33（6）： 2831.

[9] 邓文强， 柳溢航， 肖波， 等. WiFi/5G双频段列车车内通信天线设计[J]. 铁路通信信号工程技术， 2019， 16（1）： 2226.

[10] Tong X F， Liu C R， Liu X G， et al. Dual-band on/off-body reconfigurable antenna for wireless body area network （WBAN） applications[J]. Microwave and Optical Technology Letters， 2018， 60（4）： 945951.

[11] Saumya D， Hashinur I， Tanushree B. Compact low-profile body worn and wrist worn lightweight antenna for ISM and GPS band navigation and medical applications[J]. Microwave and Optical Technology Letters， 2018， 60（9）： 21222127.

[12] Sim C Y D， Tseng C W， Leu H J. Embroidered wearable antenna for ultrawideband applications[J]. Microwave & Optical Technology Letters， 2012， 54（11）： 25972600.

[13] Singh N， Singh A K， Singh V K. Design and performance of wearable ultrawide band textile antenna for medical applications[J]. Microwave & Optical Technology Letters， 2015， 57（7）： 15531557.

[14] Mersani A， Lotfi O， Ribero J M. Design of a textile antenna with artificial magnetic conductor for wearable applications[J]. Microwave & Optical Technology Letters， 2018， 60（6）： 13431349.

[15] Ouyang Y H， Chappell W J. High frequency properties of electro-textiles for wearable antenna applications[J]. IEEE Transactions on Antennas and Propagation， 2008， 56（2）： 381389.

[16] Joler M， Boljkovac M. A sleeve-badge circularly polarized textile antenna[J]. IEEE Transactions on Antennas & Propagation， 2018， 66（3）： 15761579.

[17] Sanz-Izquierdo B， Huang F， Batchelor J C. Covert dual-band wearable button antenna[J]. Electronics Letters， 2006， 42（12）： 668670.

[18] Sanz-Izquierdo B， Miller J A， Batchelor J C， et al. Dual-band wearable metallic button antennas and transmission in body area networks[J]. Iet Microwaves Antennas & Propagation， 2010， 4（2）： 182190.

[19] Sanz-Izquierdo B， Batchelor J C， Sobhy M I. Button antenna on textiles for wireless local area network on body applications[J]. Microwaves Antennas & Propagation Iet， 2010， 4（11）： 19801987.

[20] Simorangkir R， Yang Y， Esselle K P， et al. A method to realize robust flexible electronically tunable antennas using polymer-embedded conductive fabric[J]. IEEE Transactions on Antennas and Propagation， 2017， 61（1）： 7882.

[21] 王培杰， 程鉍峪， 杨凌升. 应用于5.8 GHz的可穿戴天线设计与实现[J]. 安徽大学学报： 自然科学版， 2018， 42（6）： 7882.

[22] 张楚笛， 王黎明. 一种新型的超宽带圆极化可穿戴天线研究[J]. 传感器与微系统， 2018， 37（12）： 4951.

[23] 许德成， 郭小辉， 田小建， 等. 2.45 GHz与5.8 GHz双频柔性天线的设计[J]. 吉林大学学报： 理学版， 2016（6）： 14131417.