用于ISM频段的双频单极子天线

王 玲，张文梅，韩丽萍

(山西大学 物理电子工程学院，山西 太原 030006)

0 引 言

随着无线通信技术的迅猛发展，人们对通信需求的多样化造成了多种通信技术和多种标准共存的现象，使无线通信系统对双频或多频带天线的需求日益增加.双频单极子天线可以增加信道数量，缓解无线通信频谱资源的紧张状况，并且具有成本低、体积小、易于制造等特点，受到了许多研究者的广泛关注.

目前，天线实现双频的方式有：缝隙技术[1]、多枝节技术[2]和耦合技术[3]等.文献[1]提出了一个倒锥形平面单极子天线，通过在辐射贴片刻蚀3对相互对称的缝隙，改变辐射贴片表面的电流分布，实现了双频带特性；文献[4]通过引入圆形槽使多边形贴片天线工作在GSM双频段；文献[5] 通过在圆形贴片挖两个弧形槽，使天线实现双频工作；文献[2]通过在三角形辐射单元上附加U型枝节，使天线产生两条电流路径，从而实现双频特性；文献[6]通过在矩形环辐射单元上加载叉形条带来获得双频特性；文献[7]通过在折叠辐射贴片上加载L型枝节，使天线覆盖了5G和Wi-Fi两个工作频段；文献[3]通过在矩形辐射单元的背面加载梯形导体平面，形成辐射贴片和寄生单元之间的相互耦合，使天线产生了新的谐振频率；文献[8]在天线的接地板引入U型寄生单元使天线产生双频特性；文献[9]通过在接地板加载T型寄生单元使天线在MedRadio频段引入了新的谐振，并且通过加载F型寄生单元在ISM频段引入额外的谐振，从而扩展了高频处的带宽；此外，Wen-Shan Che等人通过在宽带天线中引入陷波结构来实现双频[10].

本文设计了一种用于ISM频段的双频单极子天线.该天线采用共面波导的馈电方式，通过在辐射贴片和馈线上分别刻蚀U型和S型缝隙产生宽阻带，使天线产生双频特性.天线可以工作在2.45/5.8 GHz ISM的两个频段内，且具有良好的辐射特性.

1 天线设计

天线的结构如图1 所示.

图1 天线结构示意图Fig.1 Configuration of the antenna

天线采用共面波导(CPW)的馈电方式，铲形辐射单元，接地板和馈线都印刷在介质基板的同一侧.辐射单元的基本结构由半圆形和矩形金属贴片组成.通过在辐射贴片和馈线上分别刻蚀一个U型和S型缝隙，天线在2.7～5.19 GHz产生一个宽阻带，从而实现双频带特性.其中，U型和S型缝隙的长度分别对应于陷波中心频率的1/2波导波长.设计的天线工作频率为2.45 GHz和 5.8 GHz，利用三维电磁仿真软件HFSS进行仿真.选用相对介电常数为4.4，厚度为1.6 mm的FR4介质基板，天线各部分尺寸如表1 所示.

表1 天线结构参数Tab.1 Parameters of antenna structure

图2(a)给出了双频天线的设计流程，其中天线 Ⅰ 为普通铲形单极子天线；天线 Ⅱ 是加载有U型缝隙的铲形单极子天线；天线 Ⅲ 为本文提出的双频天线.图2(b)为不同天线结构的反射系数曲线.由图2 可见，天线 Ⅰ 的阻抗带宽为2.45～6.5 GHz；加载U型缝隙的天线 Ⅱ 在3 GHz产生一个陷波，天线工作在2.5 GHz和5 GHz两个频段，但是高频段包含WiMAX波段的频率范围；天线 Ⅲ 通过在馈线上增加一个S型缝隙，5 GHz处引入的陷波与 3 GHz 的陷波产生一个宽阻带，天线实现了良好的双频特性，覆盖了2.420～2.483 5 GHz 以及 5.725～5.875 GHz两个ISM波段.

图2 天线设计流程及S参数Fig.2 Design evolution of antenna and simulated S-parameters

为了进一步说明天线的工作原理，图3 给出了双频天线的表面电流分布情况.从图3(a)和图3(d)中可以看出，在通带 2.45 GHz 和 5.8 GHz 处，电流主要集中在馈线和辐射单元边缘，能量通过铲形辐射单元进行辐射；从图3(b)和3(c)观察到，在陷波频率3 GHz和5 GHz处，电流主要集中在U型和S型缝隙的周围，而辐射单元上的电流很小，导致电磁能量无法正常辐射，形成陷波.

图3 天线表面电流分布Fig.3 Surface current distributions of antenna

2 参数分析

通过对天线进行敏感性分析，发现U型缝隙的长度lnotch1、S型缝隙的长度lnotch2以及接地板高度lg对天线性能的影响较大.在分析某一参数对天线性能的影响时，其它参数均保持不变.图4 给出了U型缝隙长度lnotch1变化时天线的反射系数曲线.从图4中可以看出，随着lnotch1的增加，天线在低频处的谐振频率逐渐降低，高频处的谐振频率基本不变.

图4 lnotch1对反射系数的影响Fig.4 Reflection coefficients with different lnotch1

图5 lnotch2对反射系数的影响Fig.5 Reflection coefficients with different lnotch2

图5 为S型缝隙的长度lnotch2对天线反射系数的影响.由图5可知，随着lnotch2的减小，天线在高频处的谐振频率逐渐变大，而低频处的谐振频率保持不变.图6 给出了接地板高度lg对天线反射系数的影响.由图6可知，随着lg的减小，天线由两个阻带逐渐合并成一个宽阻带，当lg=9 mm时，天线的工作带宽可以覆盖ISM频段.

图6 lg对反射系数的影响Fig.6 Effect of lg on reflection coefficients

3 仿真结果与讨论

图7 给出了双频天线的反射系数曲线.

图7 双频天线的S参数Fig.7 S-parameters of dual-band antenna

由图7 中可以看出，天线的-10 dB带宽分别为2.10～2.77 GHz和5.19～6.20 GHz,相对带宽分别为25.4%和18.2%，能够覆盖ISM频段，实现了天线的双频带设计.

图8 是天线仿真辐射方向图.从图8中可以看出，E面的方向图基本呈“8”字型，H面呈现良好的全向性.天线在2.45 GHz和 5.8 GHz 处的峰值增益分别为0.42 dB和2.91 dB，满足无线通信的基本要求.

4 结 论

本文设计了一个用于ISM频段的双频单极子天线.通过在辐射贴片和馈线上刻蚀缝隙产生宽阻带来实现双频带特性.仿真结果表明，该天线可以覆盖2.45/5.8 GHz ISM波段.具有较好的辐射特性，并且结构简单，易于加工，方便与电路集成，满足ISM频段的无线通信.