一种Wi-Fi宽阻带微带天线设计

雷久淮 姚岛 陈光黎 王微 覃凤

（1.广东省科学院电子电器研究所 广东省广州市 510400 2.河源市省科院研究院 广东省河源市 517000）（3.广东理工学院 广东省肇庆市 526100）

在过去20 年里，电子信息产业一直是增长最快的市场之一。无线设备被广泛应用于电信、航空、医疗、军事等各个领域。这些系统的使用越来越多使得制造商们将注意力集中在无线设备的改进上。因此，微波电路技术特别是天线技术近几年取得了快速的发展[1‐2]。

在无线通信系统中，天线是最关键的部件之一。天线通常被定义为导波和自由空间波之间的跃迁区域相关的结构，或者反之亦然。天线在传输发射时，接收来自传输线(同轴电缆或波导)的电磁能并将其辐射到太空中;接收时，接收入射波的电磁能并将其通过传输线传送给系统其他部分。在理想条件下，信号源产生的能量完全转移到天线是理想的。然而，在实际中，由于介质损耗和辐射损耗等损耗的存在，这种能量的总转移达到百分之百是不可能的。此外，如果传输线与天线匹配失衡，将会在它们的接口上产生反射损失。因此，一个好的天线设计可以提高系统的整体性能，降低对系统部件的设计要求。为了满足当今移动和无线通信系统的要求和对其性能的不断提高，天线工程领域在过去的几十年里取得了许多研究成果，研究热点主要朝着小型化、宽阻带、多频段和宽频化等方向发展，其中小型化天线设计是应对高集成化的根本要素之一。

一般来说，有四种主要的方法来缩小微带天线尺寸实现小型化：引入高介电常数，弯折，分形以及接地短接。第一种方法，采用高介电常数的介质板可以降低谐振频率，有效地减小天线的波长，从而实现小型化, 但是由于高介电常数会使基板周围会聚集较高的能量，对场的约束增强，特性阻抗降低，从而会出现辐射效率、带宽变小，阻抗难匹配。第二种方法弯折技术是通过蜿蜒天线形状结构，让电流在天线上流经谐振辐射单元的路径更长，从而达到实现小型化的目的。2020 年，Muhammad Zada 团队在文献[3]提出了一种用于心脏起博器系统的螺旋天线。采用弯折螺旋结构和高介电常数介质板Rogers RT/duroid 6010，达到了很好的小型化效果，该天线工作在2.4GHz，带宽21.88%，整个天线尺寸为3 mm *4 mm *0.5 mm。在人体等效溶液和组织模型中进行实验，测得1g 和10g 的SAR 值分别为270.28W/kg 和31.04 W/kg。第三种方法是分形技术，分形技术具有自相似性和空间填充性特点，可以极大的增加电流的流经路径，分形的方式有很多，包括Hilbert 分形，Koch 分形，Minkowski 分形等。在文献[4]中，作者通过2 阶Minkowski 分形得到了43.7%体积减小。第四种方法是短接线技术，对于半波长矩形微带天线，在patch 下的电场分布呈正弦分布，辐射边缘电场最大，中部电场为零。如果在贴片的中间放置一个电壁，而将另一半移除，它仍然会以相同的频率共振，从而原来的patch 就变为四分之一波长patch。基于这个理论，学者Eduardo A. M. Souza 等人在文献[5]中，先采用二阶Koch 分形，然后在辐射单元中间位置引入短接柱，最后实现了70%的小型化效果。

另一方面，随着现代经济社会的发展，人们期望单一设备能够具有越来越多的功能，为了实现这一期望，越来越多的不同通信系统需要被同时使用，而这些不同功能的通信系统通常工作在不同的工作频率，存在潜在的相互干扰。此外，由于设备中存在非线性元件和模块，可能会产生非线性的高次谐波或寄生信号，这些非线性干扰信号，也可能会通过天线向外辐射出去，对其他系统产生干扰影响，使其系统性能下降，甚至无法正常工作。要解决这些问题，需要设备具有良好的电磁兼容性（EMC）特性，在接收端能有效地抑制不需要的信号进入系统；在发射端，发射系统能有效地滤除掉干扰信号，使这些干扰信号不能发射出去，进而干扰到其他系统，引起电磁污染。

传统的解决方案是在天线后端级联滤波器，通过滤波器的滤波特性滤除掉不需要的频率，这种方案要求滤波器不仅具有良好的通带特性和阻带特性，还要求天线和滤波器有良好的阻抗匹配，以避免因阻抗失配带来的有用信号插损和失真。然而，良好的阻抗匹配会增加设计技术、加工工艺的要求和成本；另外，这种天线级联滤波器容易带来尺寸增大问题。因此，鉴于现代通信设备正在往集成化，小型化的方向发展，亟需宽阻带、小型化，易集成、低成本、通用化的天线结构具有重要的现实意义。

本文设计并实现了一种结构紧凑的宽阻带天线。采用弯折结构和改进的地，实现了小型化。采用六边形结构抑制了高次谐波，改善了阻带性能。同时，在馈线旁边设置金属通孔，为工程使用提供了更多的馈电方式。

1 天线的结构研究

本论文所设计的宽阻带天线是在单极子天线的基础上改进发展起来的一种新型结构，天线3D 拓扑结构如图1（a）所示。该宽阻带天线包括矩形介质基板1，下层接地金属板9，金属通孔6、7，上层金属贴片，整个天线结构沿介质板中轴线左右对称。

图1：宽阻带天线的结构

上层金属贴片由彼此相连的矩形金属片2、正六边形金属片3 和金属微带线4、5 构成。其中微带线4、5 构成箭头形形状，以缩小天线尺寸，箭头尖角的夹角8 角度小于180度。矩形金属片2 是特征阻抗为50 欧姆的微带线，其一窄边与介质基板1 的一边对齐，另一窄边与正六边形金属片3交叠，形成光滑连续外边沿。类似地，正六边形金属片3 的另一角与金属微带线5 交叠形成连续曲线边，正六边形金属片3 的半径可以用来调节阻带特性。金属通孔6、7，关于介质板中轴线呈左右对称分布，其距离矩形金属片2 边沿为L1。该金属通孔可以用来给天线提供更多的馈电接入方式，相比于传统天线具提供单一的馈电方式，该天线具有易于工程装配，系统集成的特性，具有较高的工程实用价值。

下层金属板9 为矩形接地板，其两窄边与介质基板1 的左右两侧长边对齐，其中一个长边与介质基板1 的下部窄边对齐，另一长边被一高为L8 的三角形镂蚀；金属通孔6、7在下层金属板9 形成镂空的圆形通孔，通孔6、7 内壁金属化，且与下层金属板9 连接。下层金属板9 为非全覆铜的地，其作用将原二分之一波长天线小型化成四分之一波天线。高为L8 的镂蚀三角形可以用来调节阻抗匹配。

2 天线的参数分析

本文所设计的宽阻微带带天线工作的中心频点为2.4 GHz，使用介电常数为4.4 的玻璃纤维环氧树脂(FR4)介质板，其损耗角为0.02，厚度h 为1.6 mm。为了研究该天线的频率特性，我们通过对传统传输线模型进行改进建模分析。Yin表示从输入端看过去，天线的电导纳。其中YR表示正六边形的导纳，Y2表示宽度为W2的导纳，为了研究方便且具有普适性，在分析当中，忽略阻抗不连续性，并且设定W2=W3=W4。Ysm表示耦合因子。于是，可得：

在谐振条件Im(Yin)=0 的状况下，谐振频率计算公式为：

本天线的通带频率为公式（2）的基频，基于公式（2），为了简化设计流程，更有效方便地指导工程实践，在不考虑阻抗损耗的情况下，天线通带频率的简易计算公式为：

在本论文天线中，为了克服通带的高次谐波，采用了正六边形结构，R1是其半径。半径R1与S 参数的关系如图2所示。从图中，可以看到当R1较小时，在6GHz‐12GHz 有明显的谐波干扰。随着R1的增加，谐波干扰得到了明显的改善。因此在设计中，可以通过调节R1的大小来得到需要的阻带特性。

图2：六边形半径R1 与回波损耗的关系图

3 天线的验证分析

为了验证本论文的理论方法，最后设计并加工制作了一个应用在在wifi 2.4 GHz 频段的天线，天线设计指标如表1所示，实物图如图3 所示。图3（a）为所设计天线实物片正面照片，金属部分为辐射部分；图3（b）为背面照片，金属部分为地。正面正六边形金属片3 的半径R1为7mm，矩形微带线5 的宽度为W2=1mm，长度为L2=8.3mm，微带线4 长度L3=4.2mm，L4=3.7mm，箭头形夹角8 的角度为120 度，通孔6、7 离金属矩形条2 的距离L1=3.9mm，L6=13mm，L7=9mm，L8=1.73mm，L9=3mm。图4 为仿真和实测结果。通过参数结果，可以看到该天线在2.4 GHz 频段具有良好的通带特性，并且‐10dB 阻带范围可以达到2.57GHz‐17.8GHz，阻带和通带频率比可达到7.1。图5 所示为天线的在2.45GHz的电磁场分布情况。图5（a）是电场分布，图5（b）是表面电流分布，图5（c）磁场分布。从图5（a）电场分布可以看到，天线的强电场主要分布在L3, L4标识的箭头部分；从图5（b）电流分布和图5（c）磁场分布可以看到强表面电流和强磁场主要分布在L2 枝节和50 欧姆馈线处。产生这种现象的原因是：移动的电荷产生电场，因此电荷聚集的地方电场就强，电压最大，所以此时电流最小。磁场是由电流产生的，因此磁场和电流的分布情况是一致的。图6 为天线的方向图。图6 （a）为天线E 面，图6 （b）为H 面。从图中可以看到天线E 面具有良好的定向性，H 面具有良好的全向性，具有广泛的工程实用空间和价值。

图3：实物照片

图4：仿真和测试结果

图5：2.45GHz 天线的电磁场分布

表1：天线设计指标

图6：方向图

4 结论

本文介绍了一种可用于Wi‐Fi 的宽阻带天线设计方法，通过改进传统传输线模型进行建模，分析了该天线的频响特性。通过参数分析了阻带的控制机理。最后加工制作了一款工作在2.4GHz 频段的微带天线，在Wi‐Fi 频段具有良好的通带特性，‐10dB 阻带范围可以达到2.57GHz‐17.8GHz，阻带和通带频率比可达到7.1。该天线加工成本低、易集成、易安装、性能优良并且能够满足短距离通信和宽阻带通信的性能要求。