周 鋆， 楊雪霞， 呂艷青

(上海大學(xué)通信與信息工程學(xué)院，上海200072)

隨著現(xiàn)代無線通信技術(shù)的飛速發(fā)展，不斷出現(xiàn)新的通信協(xié)議，與此同時(shí)投入應(yīng)用的頻段也越來越多，其中最具代表性的是2.4和5.8 GHz這2個(gè)國際頻段.WLAN(IEEE 802.11b/IEEE 802.11g)、藍(lán)牙(Bluetooth)、ZigBee等協(xié)議工作于2.4 GHz頻段，5.8 GHz頻段主要用于解決從骨干網(wǎng)到駐地網(wǎng)接入的問題.另外，迅速升溫的WiMAX技術(shù)所帶來的3.5 GHz網(wǎng)絡(luò)也正逐步進(jìn)入人們的視野.基于無線通信的特點(diǎn)和應(yīng)用，如何既不增大天線面積又獲得更高的性能，是近年來天線設(shè)計(jì)的研究熱點(diǎn)，其中能同時(shí)涵蓋幾個(gè)重要頻段的多頻天線極具實(shí)際意義.隨著無線輸能技術(shù)的不斷進(jìn)步，多頻天線還有望實(shí)現(xiàn)一個(gè)頻點(diǎn)輸能、其他頻點(diǎn)同時(shí)收發(fā)信號(hào)的強(qiáng)大功能.

實(shí)現(xiàn)微帶天線多頻的方法多種多樣：疊層天線形式［1］設(shè)計(jì)簡(jiǎn)單，但一般多頻之間相隔較近;不對(duì)稱的曲線微帶形式［2］易于加工，但尺寸往往較大;在貼片上開多個(gè)槽的天線結(jié)構(gòu)［3］體積較小，但增益較低，一般在4～5 dBi左右;文獻(xiàn)［4］提出了一種分形天線實(shí)現(xiàn)了較寬的雙頻頻帶，但結(jié)構(gòu)卻很復(fù)雜;文獻(xiàn)［5］提出了一種雙菱形環(huán)路天線形式，文獻(xiàn)［6］將其改進(jìn)，實(shí)現(xiàn)了易于集成的高增益天線，文獻(xiàn)［7］進(jìn)一步改進(jìn)，實(shí)現(xiàn)了寬帶圓極化工作.在此基礎(chǔ)上，本研究提出了一種結(jié)構(gòu)相對(duì)簡(jiǎn)單、易于加工、使用共面帶狀線(coplanar stripline，CPS)饋電的三頻微帶天線，經(jīng)實(shí)測(cè)各頻點(diǎn)均正常工作，增益達(dá)10 dB以上.

1 天線結(jié)構(gòu)與仿真

本天線采用雙菱環(huán)結(jié)構(gòu)，并于兩環(huán)正中添加一對(duì)小環(huán)，實(shí)現(xiàn)了2.4，3.5和5.8 GHz 3個(gè)頻段工作.天線置于介電常數(shù)為2.55、厚0.8 mm的介質(zhì)基板上，具體結(jié)構(gòu)如圖1所示.外圍菱形環(huán)路(即大環(huán))由2個(gè)正方形微帶環(huán)構(gòu)成，正方形邊長(zhǎng)為Rs，線寬Rw，末端在Sp位置處開有槽口，長(zhǎng)度為Sl.兩環(huán)間距Ad，且與圖中O點(diǎn)呈中心對(duì)稱擺放.2個(gè)小環(huán)置于大環(huán)正中，邊長(zhǎng)為Ps，線寬與大環(huán)相同.大環(huán)與小環(huán)之間由一根寬為Fw的短接線將二者頂角連在一起.介質(zhì)基板之下是金屬反射板，它們之間是高度為Ah的空氣層.

圖1 CPS饋電三頻天線結(jié)構(gòu)Fig.1 CPS fed triple band antenna structure

大環(huán)周長(zhǎng)最長(zhǎng)，將產(chǎn)生三頻中最低的頻點(diǎn)，即2.4 GHz.該頻點(diǎn)可通過調(diào)節(jié)Rs獲得，Sp與Sl則用于實(shí)現(xiàn)多頻后的微調(diào).小環(huán)的作用是產(chǎn)生最高的頻點(diǎn)，即5.8 GHz，同樣可通過調(diào)節(jié)Ps的長(zhǎng)度獲得.

根據(jù)文獻(xiàn)［8］提供的經(jīng)驗(yàn)數(shù)據(jù)，當(dāng)最高和最低兩頻點(diǎn)相差大于1.74倍時(shí)，則需要再添加一段短接線來確保小環(huán)的供能.圖2為仿真電流分布圖(對(duì)稱部分已省去)，顏色越淺表示電流越大.由圖可見，在2.4 GHz工作時(shí)天線上的電流盡數(shù)分布于大環(huán)上，而在5.8 GHz工作時(shí)電流則分布在小環(huán)與短接線上，與設(shè)計(jì)初衷相吻合.

圖2 電流分布Fig.2 Current distribution

由于大環(huán)與小環(huán)之間存在耦合，因此還將激勵(lì)起介于2.4與5.8 GHz之間的頻點(diǎn).通過調(diào)節(jié)大小環(huán)的間距Rd，配合精心設(shè)計(jì)Sp與Sl的長(zhǎng)度能將耦合頻點(diǎn)諧振于所需位置.本天線在此處的工作頻率即為3.5 GHz，至此三頻工作特性得以實(shí)現(xiàn).在介質(zhì)基板底部增加反射板還能有效提高CPS饋電結(jié)構(gòu)的天線增益.

本天線設(shè)計(jì)仿真使用Ansoft公司的HFSS10軟件，各部分尺寸如表1所示.S11性能仿真結(jié)果如圖3所示，三頻點(diǎn)分別諧振在2.47，3.49和5.79 GHz，工作帶寬分別為140 MHz(-10 dB)，130 MHz(-10 dB)和260 MHz(-20 dB).歸一化方向圖的仿真結(jié)果如圖4所示，最大方向上增益隨頻率的關(guān)系如圖5所示.本天線相對(duì)2.4 GHz單頻工作的菱形天線而言，充分利用了自身的結(jié)構(gòu)特點(diǎn)，實(shí)現(xiàn)了三頻功能的同時(shí)，并未增大整體面積.

表1 天線尺寸Table 1 Antenna dimension mm

圖3 S11性能仿真結(jié)果Fig.3 S11simulated result

圖4 歸一化方向圖(dB)Fig.4 Normalized radiation pattern(dB)

圖5 天線增益性能仿真結(jié)果Fig.5 Gain simulated result of the antenna

2 巴倫設(shè)計(jì)

若要實(shí)測(cè)天線，還需在其后附加一段CPS至微帶線的轉(zhuǎn)換器，即巴倫(Balun).由于本天線的3個(gè)工作頻點(diǎn)涵蓋了2～6 GHz之間近4 GHz的頻段，故考慮使用文獻(xiàn)［9］提出的一種寬帶巴倫.巴倫的具體結(jié)構(gòu)如圖6所示，天線饋電處延伸出一對(duì)長(zhǎng)L1寬W1的CPS，兩端分別接上扇形調(diào)諧枝節(jié)與多節(jié)阻抗匹配器，配合基板背面略為不規(guī)則的巴倫地，完成CPS至微帶線的轉(zhuǎn)換與匹配.扇形半徑Br為λg/4，其中λg為5.8 GHz在εr=2.55時(shí)的導(dǎo)波波長(zhǎng).多節(jié)匹配器則遵循常見的1/4阻抗變換原理.考慮到3個(gè)頻段的綜合性能，結(jié)合實(shí)際仿真調(diào)試，最終各部分具體尺寸詳見表2.由圖3可見，添加巴倫以后，頻點(diǎn)略微有所漂移，但因同時(shí)阻抗得以匹配，故S11性能更佳.3處諧振點(diǎn)的輸入阻抗分別為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).附加巴倫以后，天線的歸一化方向圖如圖4所示，各頻點(diǎn)方向圖相比附加之前略有傾斜，推測(cè)是因?yàn)榘蛡惖囊肷陨杂绊懥颂炀€的輻射.

圖6 CPS至微帶線巴倫結(jié)構(gòu)Fig.6 CPS to microstrip Balun structure

表2 巴倫尺寸Table 2 Balun dimension mm

3 實(shí)測(cè)結(jié)果與分析

本天線實(shí)物圖如圖7所示，使用網(wǎng)絡(luò)分析儀(安捷倫8720C)進(jìn)行測(cè)試，實(shí)測(cè)S11性能如圖8所示.3個(gè)頻段各自的 -10 dB帶寬如下：2.4 GHz處170 MHz(2.36～2.52 GHz)，3.5 GHz處80 MHz (3.38～3.46 GHz)以及5.8 GHz處700 MHz(5.72～6.42 GHz)，其中2.4 GHz與5.8 GHz頻段很好地覆蓋了工業(yè)、科學(xué)和醫(yī)用(industrial scientific medical，ISM)頻段，而3.5 GHz處因諧振于3.42 GHz，故只覆蓋了中國WiMAX在3.5 GHz頻段處的上行頻段(3 399.50～3 431.00 MHz).

圖7 天線實(shí)物圖Fig.7 Photo of the antenna

圖8 實(shí)測(cè)S11性能Fig.8 S11performance

測(cè)量天線增益與方向圖時(shí)，發(fā)射天線為標(biāo)準(zhǔn)喇叭天線，測(cè)試天線置于微波暗室中遠(yuǎn)場(chǎng)區(qū)的轉(zhuǎn)臺(tái)上.本天線在2.4和5.8 GHz頻率上的歸一化方向圖如圖4所示.通過和標(biāo)準(zhǔn)喇叭天線的增益對(duì)比，得到最大方向上2.4 GHz時(shí)天線增益為10.9 dB，5.8 GHz時(shí)為10.2 dB.

由圖4與圖8可見，實(shí)測(cè)的S11頻響特性、方向圖以及最大增益與仿真值吻合良好.造成實(shí)測(cè)與仿真誤差的原因主要是反射板距離為手工調(diào)整，較難與仿真條件精確一致.此外，加工精度以及SMA接頭的焊接也有一定的影響.

4 結(jié)束語

本研究提出了一種由CPS饋電并工作于2.4，3.5和5.8 GHz的三頻微帶天線，其結(jié)構(gòu)相對(duì)簡(jiǎn)單且具有10 dB以上的增益.實(shí)測(cè)結(jié)果與仿真結(jié)果吻合度較好，可應(yīng)用于目前WLAN，Bluetooth，ZigBee，WiMAX等多個(gè)重要的許可與免許可頻段.本研究還設(shè)計(jì)了適用于該天線的巴倫，可使其滿足其他饋電方式的應(yīng)用需求.若對(duì)本天線的槽口位置和長(zhǎng)度配合小環(huán)周長(zhǎng)作更精確地調(diào)整，還有望實(shí)現(xiàn)最低頻點(diǎn)處的圓極化功能，使其更具應(yīng)用價(jià)值.

［1］ WANGY F，F(xiàn)ENGJ J，CUIJ B，et al.A dual-band circularly polarized stacked microstrip antenna with single-fed for GPS applications［C］∥ International Symposium on Antennas，Propagation and EM Theory.2008：108-110.

［2］ DEEPUV，RAJK R，JOSEPHM，et al.Compact asymmetric coplanar strip fed monopole antenna for multiband applications［J］.IEEE Transactionson Antennas and Propagation，2007，55(8)：2351-2357.

［3］ KIMH J，LEEN J，PARKK J，et al.Triple-band antenna with slots for PCS/WLAN/UWB applications［C］∥ Asia Pacific Microwave Conference.2009：2338-2341.

［4］ ANGUERAJ，MARTíNEZE，PUENTEC，et al.Broadband dual-frequency microstrip patch antenna with modified sierpinski fractal geometry ［J］. IEEE Transactions on Antennas and Propagation，2004，50 (1)：66-73.

［5］ MORISHITAH，HIRASAWAK，NAGAOT.Circularly polarised rhombic hula hoop antennas［J］.Electronics Letters，1996，32(2)：946-947.

［6］ 孫曉萌，楊雪霞，王華紅，等.易于集成的高增益雙環(huán)形印刷天線［J］.上海大學(xué)學(xué)報(bào)：自然科學(xué)版，2010，16 (1)：31-34.

［7］ 周建永，楊雪霞，高艷艷.一種CPS饋電的寬帶圓極化雙菱環(huán)天線［J］.無線電工程，2010，40(5)：40-42.

［8］ 任王，鄧俊勇，洪少華，等.無線局域網(wǎng)的雙頻圓極化圓環(huán)縫隙天線設(shè)計(jì)［J］.浙江大學(xué)學(xué)報(bào)：工學(xué)版，2008，42(8)：1306-1315.

［9］ TUW H，CHANGK.Wide-band microstrip-to-coplanar stripline/slotline transitions［J］.IEEE Transactions on Microwave Theory and Techniques，2006，54(3)：1084-1089.