共面带状线馈电三频高增益微带天线

周 鋆， 杨雪霞， 吕艳青

(上海大学通信与信息工程学院，上海200072)

随着现代无线通信技术的飞速发展，不断出现新的通信协议，与此同时投入应用的频段也越来越多，其中最具代表性的是2.4和5.8 GHz这2个国际频段.WLAN(IEEE 802.11b/IEEE 802.11g)、蓝牙(Bluetooth)、ZigBee等协议工作于2.4 GHz频段，5.8 GHz频段主要用于解决从骨干网到驻地网接入的问题.另外，迅速升温的WiMAX技术所带来的3.5 GHz网络也正逐步进入人们的视野.基于无线通信的特点和应用，如何既不增大天线面积又获得更高的性能，是近年来天线设计的研究热点，其中能同时涵盖几个重要频段的多频天线极具实际意义.随着无线输能技术的不断进步，多频天线还有望实现一个频点输能、其他频点同时收发信号的强大功能.

实现微带天线多频的方法多种多样：叠层天线形式［1］设计简单，但一般多频之间相隔较近;不对称的曲线微带形式［2］易于加工，但尺寸往往较大;在贴片上开多个槽的天线结构［3］体积较小，但增益较低，一般在4～5 dBi左右;文献［4］提出了一种分形天线实现了较宽的双频频带，但结构却很复杂;文献［5］提出了一种双菱形环路天线形式，文献［6］将其改进，实现了易于集成的高增益天线，文献［7］进一步改进，实现了宽带圆极化工作.在此基础上，本研究提出了一种结构相对简单、易于加工、使用共面带状线(coplanar stripline，CPS)馈电的三频微带天线，经实测各频点均正常工作，增益达10 dB以上.

1 天线结构与仿真

本天线采用双菱环结构，并于两环正中添加一对小环，实现了2.4，3.5和5.8 GHz 3个频段工作.天线置于介电常数为2.55、厚0.8 mm的介质基板上，具体结构如图1所示.外围菱形环路(即大环)由2个正方形微带环构成，正方形边长为Rs，线宽Rw，末端在Sp位置处开有槽口，长度为Sl.两环间距Ad，且与图中O点呈中心对称摆放.2个小环置于大环正中，边长为Ps，线宽与大环相同.大环与小环之间由一根宽为Fw的短接线将二者顶角连在一起.介质基板之下是金属反射板，它们之间是高度为Ah的空气层.

图1 CPS馈电三频天线结构Fig.1 CPS fed triple band antenna structure

大环周长最长，将产生三频中最低的频点，即2.4 GHz.该频点可通过调节Rs获得，Sp与Sl则用于实现多频后的微调.小环的作用是产生最高的频点，即5.8 GHz，同样可通过调节Ps的长度获得.

根据文献［8］提供的经验数据，当最高和最低两频点相差大于1.74倍时，则需要再添加一段短接线来确保小环的供能.图2为仿真电流分布图(对称部分已省去)，颜色越浅表示电流越大.由图可见，在2.4 GHz工作时天线上的电流尽数分布于大环上，而在5.8 GHz工作时电流则分布在小环与短接线上，与设计初衷相吻合.

图2 电流分布Fig.2 Current distribution

由于大环与小环之间存在耦合，因此还将激励起介于2.4与5.8 GHz之间的频点.通过调节大小环的间距Rd，配合精心设计Sp与Sl的长度能将耦合频点谐振于所需位置.本天线在此处的工作频率即为3.5 GHz，至此三频工作特性得以实现.在介质基板底部增加反射板还能有效提高CPS馈电结构的天线增益.

本天线设计仿真使用Ansoft公司的HFSS10软件，各部分尺寸如表1所示.S11性能仿真结果如图3所示，三频点分别谐振在2.47，3.49和5.79 GHz，工作带宽分别为140 MHz(-10 dB)，130 MHz(-10 dB)和260 MHz(-20 dB).归一化方向图的仿真结果如图4所示，最大方向上增益随频率的关系如图5所示.本天线相对2.4 GHz单频工作的菱形天线而言，充分利用了自身的结构特点，实现了三频功能的同时，并未增大整体面积.

表1 天线尺寸Table 1 Antenna dimension mm

图3 S11性能仿真结果Fig.3 S11simulated result

图4 归一化方向图(dB)Fig.4 Normalized radiation pattern(dB)

图5 天线增益性能仿真结果Fig.5 Gain simulated result of the antenna

2 巴伦设计

若要实测天线，还需在其后附加一段CPS至微带线的转换器，即巴伦(Balun).由于本天线的3个工作频点涵盖了2～6 GHz之间近4 GHz的频段，故考虑使用文献［9］提出的一种宽带巴伦.巴伦的具体结构如图6所示，天线馈电处延伸出一对长L1宽W1的CPS，两端分别接上扇形调谐枝节与多节阻抗匹配器，配合基板背面略为不规则的巴伦地，完成CPS至微带线的转换与匹配.扇形半径Br为λg/4，其中λg为5.8 GHz在εr=2.55时的导波波长.多节匹配器则遵循常见的1/4阻抗变换原理.考虑到3个频段的综合性能，结合实际仿真调试，最终各部分具体尺寸详见表2.由图3可见，添加巴伦以后，频点略微有所漂移，但因同时阻抗得以匹配，故S11性能更佳.3处谐振点的输入阻抗分别为52.29-j 3.19 Ω (2.48 GHz)，40.09-j0.81 Ω(3.48 GHz)和49.26-j0.14 Ω(5.88 GHz).附加巴伦以后，天线的归一化方向图如图4所示，各频点方向图相比附加之前略有倾斜，推测是因为巴伦的引入稍稍影响了天线的辐射.

图6 CPS至微带线巴伦结构Fig.6 CPS to microstrip Balun structure

表2 巴伦尺寸Table 2 Balun dimension mm

3 实测结果与分析

本天线实物图如图7所示，使用网络分析仪(安捷伦8720C)进行测试，实测S11性能如图8所示.3个频段各自的 -10 dB带宽如下：2.4 GHz处170 MHz(2.36～2.52 GHz)，3.5 GHz处80 MHz (3.38～3.46 GHz)以及5.8 GHz处700 MHz(5.72～6.42 GHz)，其中2.4 GHz与5.8 GHz频段很好地覆盖了工业、科学和医用(industrial scientific medical，ISM)频段，而3.5 GHz处因谐振于3.42 GHz，故只覆盖了中国WiMAX在3.5 GHz频段处的上行频段(3 399.50～3 431.00 MHz).

图7 天线实物图Fig.7 Photo of the antenna

图8 实测S11性能Fig.8 S11performance

测量天线增益与方向图时，发射天线为标准喇叭天线，测试天线置于微波暗室中远场区的转台上.本天线在2.4和5.8 GHz频率上的归一化方向图如图4所示.通过和标准喇叭天线的增益对比，得到最大方向上2.4 GHz时天线增益为10.9 dB，5.8 GHz时为10.2 dB.

由图4与图8可见，实测的S11频响特性、方向图以及最大增益与仿真值吻合良好.造成实测与仿真误差的原因主要是反射板距离为手工调整，较难与仿真条件精确一致.此外，加工精度以及SMA接头的焊接也有一定的影响.

4 结束语

本研究提出了一种由CPS馈电并工作于2.4，3.5和5.8 GHz的三频微带天线，其结构相对简单且具有10 dB以上的增益.实测结果与仿真结果吻合度较好，可应用于目前WLAN，Bluetooth，ZigBee，WiMAX等多个重要的许可与免许可频段.本研究还设计了适用于该天线的巴伦，可使其满足其他馈电方式的应用需求.若对本天线的槽口位置和长度配合小环周长作更精确地调整，还有望实现最低频点处的圆极化功能，使其更具应用价值.

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