金 杰 侯梓葉 潘 勇

（1.天津大學電子信息工程學院，天津300072；2.重慶三峽學院計算機學院，重慶404100）

基于缺陷地結構的寬帶多頻天線設計

金 杰1侯梓葉1潘 勇2

（1.天津大學電子信息工程學院，天津300072；2.重慶三峽學院計算機學院，重慶404100）

提出了一種新的小型化、寬頻帶的多頻微帶天線該天線具備三個不同的工作頻段，可同時工作在藍牙、無線射頻識別（Radio Frequency Identification Devices，RFID）、無線局域網(wǎng)（Wireless Local Area Network，WLAN）和全球微波互聯(lián)接入（Worldwide Interoperability for Microwave Access，WiMAX）的通信頻段上.該微帶天線主要由四個半圓環(huán)、一個圓環(huán)、一個矩形帶以及缺陷地組成.為了獲得結構的小型化，通過在四個半圓環(huán)中增加一個圓環(huán)來激發(fā)出該天線的兩個諧振頻率，通過改進地板為帶圓形缺陷的拱結構來獲得第三個阻抗匹配良好的頻段.實測結果顯示：該天線在工作頻段具有很好的輻射特性和增益.

天波超視距雷達；小型化多頻天線；藍牙／RFID／WLAN／WiMAX；缺陷地

引 言

隨著無線通信尤其是移動通信的迅速發(fā)展，無線通信設備成為當今研發(fā)的熱點.在基站和移動通信設備終端中，天線都是其中必不可少的關鍵部件之一.天線實現(xiàn)自由空間中傳播的電磁波與電路中的電磁信號相互轉換的功能，因此，天線的性能好壞直接關系到整個系統(tǒng)通信質量的高低.另外，無線通信技術的快速發(fā)展也提出了需要擴大系統(tǒng)容量以及實現(xiàn)雙模／多模通信的新要求.早期的單頻段通信系統(tǒng)已無法滿足實際應用的要求，當前的無線通信系統(tǒng)往往要工作在多個頻段上.

現(xiàn)在無線移動通信系統(tǒng)向著小型化、多功能和智能化的方向迅速發(fā)展，因而天線也面臨著新的要求，即小型化、多頻段、寬頻帶等.近年來出現(xiàn)了一些適用于不同通信標準的單頻天線，但是同時適用于藍牙、無線射頻識別（Radio Frequency Identification Devices，RFID）、無線局域網(wǎng)（Wireless Local Area Network，WLAN）和全球微波互聯(lián)接入（Worldwide Interoperability for Microwave Access，WiMAX）的天線設計卻相對較少［1－11］.文獻［3-7］提出了不同形狀的多頻天線，可應用于WLAN／WiMAX或者RFID，具有很好的帶寬和輻射特性，但天線尺寸都相對較大，文獻［8-10］所提出的微帶天線相對尺寸較小，但只有兩個可用頻段.通過引入缺陷地結構，設計了一款可同時用于藍牙／RFID／WLAN／WiMAX的三頻單極子天線.該天線提供了0.16GHz、0.35GHz和1.56GHz三個阻抗帶寬，工作頻段分別為2.38～2.54GHz、3.3～3.65GHz和4.85～6.41GHz，中心頻率分別為2.47GHz、3.42GHz和5.31GHz.天線的尺寸為38.0mm× 25.0mm×0.8mm.天線由HFSS軟件進行仿真并進行了實物制作，實測結果與仿真結果具有非常好的匹配.

1 天線結構與設計

圖1給出了三頻天線的具體設計結構.天線的主要輻射單元是印刷在介質基板上的四個半圓環(huán)，一個圓環(huán)以及它們中間的矩形連接帶.天線上下兩個半圓環(huán)的外半徑和內半徑分別為R1和R2；左右兩個半圓環(huán)的外半徑和內半徑分別為R3和R4；中心圓環(huán)的外半徑和內半徑分別為R5和R6；矩形連接帶長度為L1＝5.5mm.

平面單極天線的饋電方式主要有微帶線饋電、同軸線饋電、共面波導饋電，此外還有應用較少的電磁耦合饋電等，選擇合適的饋電方式，對天線的性能有很大的影響.該天線采用50Ω微帶線饋電，微帶線的長和寬分別是Lf＝13mm、Wf＝2.6mm.

該天線被印制在厚度為0.8mm，相對介電常數(shù)εr＝4.4，介質損耗為0.02的FR4的介質板上.介質板的尺寸為38.0mm×25.0mm.矩形地板的大小是6.0mm×25.0mm，天線的詳細參數(shù)見表1.天線經(jīng)過優(yōu)化后，實際制作出的實物圖見圖2.

圖3給出了天線的設計過程以及每一個天線對應的回波損耗特性.輻射單元長度的計算方法是：先由天線有效電長度（輻射貼片帶線長度與相應饋電帶線長度之和）得到輻射單元的初始長度，再由電磁仿真軟件對參數(shù)進一步優(yōu)化.而天線的有效電長度約等于天線諧振時對應工作波長的二分之一，其計算可以參考以下經(jīng)驗公式［12］

式中：Leff是天線有效輻射電長度，mm；fres是諧振頻率，GHz；εeff為有效介電常數(shù)；c是真空中的光速；h和W分別是介質板厚度和超小A型（SMA）接頭處微帶線的寬度，mm.

天線最初的設計源于天線I，僅包括一個由兩兩相同的四個半圓環(huán)拼接而成的類似花形的輻射貼片和一個地板，如圖3（a）所示，輻射單元通過SMA接頭饋電后，電流從饋電點流經(jīng)帶線直至輻射貼片上部大半圓環(huán)頂端，該電流流經(jīng)的路徑長為52.25 mm（約0.42λ），如圖3（b）所示，此時天線僅工作在一個頻段2.31～2.61GHz，諧振頻率為2.44 GHz.只可基本覆蓋藍牙工作頻段.天線II通過在四個半圓環(huán)內部增加一個圓環(huán)貼片，可以激發(fā)出另一個諧振頻率，且天線的表面積大小沒有改變.為了獲得更好的匹配特性，通過計算比較，四個半圓環(huán)和內部圓環(huán)連接的帶線寬度為2mm，比饋電點到四個半圓環(huán)的帶線要窄.此時電流從饋電點流經(jīng)帶線直至內圓環(huán)頂端，該電流流經(jīng)的路徑長為31.06 mm（約0.34λ），依然可覆蓋藍牙工作頻段，同時產(chǎn)生了接近WiMAX工作頻段的第二頻段.從圖中可以看出，天線II的阻抗帶寬分別為2.27～2.48 GHz，3.18～3.39GHz，中心頻率分別為2.38 GHz，3.26GHz.可以得到結論，在天線的尺寸沒有改變的情況下，第一個諧振頻率向左移動，等效于天線的尺寸被減小.為了獲取第三個工作頻段，同時改善上面獲得的第二個工作頻段.采用缺陷接地結構（Defected Ground Structure，DGS），該結構通過在微帶線等傳輸線接地平面上蝕刻周期性或非周期性圖形，來改變接地電流的分布，從而改變傳輸線的頻率特性，可實現(xiàn)抑制諧波，增加帶寬等作用.為了獲得良好的匹配，在矩形地板上方采用了帶圓形缺陷的拱形地結構，缺陷半徑R8＝1.9mm，圓形缺陷的尺寸和位置在一定程度上影響了天線的諧振頻率和阻抗帶寬.

通過在拱形缺陷地結構的合適位置蝕刻圓形缺陷，仿真發(fā)現(xiàn)天線出現(xiàn)了第三個頻段且?guī)捿^寬，匹配較好，這是因為缺陷地結構可以濾去不希望出現(xiàn)的頻率.此時電流從饋電點流經(jīng)帶線直至下半圓環(huán)底端，該電流流經(jīng)的路徑長為18.5mm（約0.33 λ），由于缺陷地結構，改變了此處的頻率特性.從而獲得了第三個頻段.最終得到覆蓋藍牙，WLAN和WiMAX工作頻段的天線.可見在花形環(huán)內部引入圓環(huán)帶狀線以及缺陷地結構，在沒有增加整體體積的情況可獲得性能較好的多頻段天線.

2 實驗結果及分析

采用全波仿真軟件HFSS對天線進行了模擬仿真，同時使用矢量網(wǎng)絡分析對實際制作的天線在暗室中進行了測試.天線測試的實際工作的相對帶寬為7.32%（2.37～2.55GHz），12.43%（3.32～3.75GHz）和33.08%（4.74～6.47GHz）.圖4是此天線仿真與測試的回波損耗參數(shù)的對比曲線，從圖上可以看到兩者吻合度較高.兩者的誤差可能是由天線制作上和實驗設備上的誤差引起的.天線在諧振點處的回波損耗分別為－19.1dB，－20.5dB和－21.1dB，顯示出天線良好的匹配特性.

圖6 為天線在工作頻帶內的增益仿真與測試結果.在2.3～2.6GHz頻段，天線的增益相對穩(wěn)定，增益變化為0.85dBi，2.3GHz時增益最大為2.88 dBi.在3.3～3.7GHz頻段，天線的增益同樣相對穩(wěn)定，增益變化為0.62dBi，3.7GHz時增益最大為2.64dBi.與低頻段相比，4.8～6.4GHz頻段天線的最大增益和增益變化都相對較大，在5.5GHz時獲得最大增益為5.22dBi，增益變化為2.41dBi，并且天線增益的測試與仿真結果吻合較好.天線的增益滿足無線通信的要求.

3 結 論

提出了一種小型化三頻段天線，可同時工作在藍牙、RFID、WLAN和WiMAX的工作頻段.該天線主要由四個半圓環(huán)、一個圓環(huán)、一個矩形帶以及缺陷地組成.在保證天線尺寸不增大的情況下，通過在四個半圓環(huán)中增加一個圓環(huán)來激發(fā)出天線的兩個諧振頻率.通過改進地板為帶圓形缺陷的拱形結構來獲得第三個阻抗匹配良好的頻段.同時天線具備尺寸小、高增益、較好的輻射特性等優(yōu)點，適用于當前應用的無線通信系統(tǒng).

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Design of broadband multi-frequency antenna based on the defected ground plane

JIN Jie1HOU Ziye1PAN Yong2
（1.School of Electronic and Information Engineering，Tianjin University，Tianjin300072，China；2.School of Computer Science and Engineering，Chongqing Three Gorges University，Chongqing404100，China）

A new miniaturized wide-band multi-frequency antenna is proposed.The proposed antenna can generate three separate impedance bandwidths to cover all the 2.4／5.8GHz Bluetooth／WLAN／RFID operating bands and the 2.5／3.5／5.5GHz WiMAX bands.The proposed microstrip-fed antenna mainly consists of four semicircular rings，a circular ring，a rectangle strip，and a defected ground plane.By adding a circular ring in the four semicircular rings，the antenna excites two resonant modes and is with miniaturization structure.Because of the introduction of the cambered ground plane with an circular-defect，the third wide band with better impedance matching is obtained.A prototype is experimentally tested，and the measured results show good radiation patterns and enough gains across the operation bands.

sky-wave over-the-horizon radar；miniaturized multi-frequency antenna；bluetooth／RFID／WLAN／WiMAX applications；defected ground plane

TN82

A

1005-0388（2015）01-0104-05

金 杰 （1962－），女，遼寧人，博士，天津大學電子信息工程學院教授，博士研究生導師，主要研究領域為電磁場與微波.

侯梓葉 （1989－），女，河北人，天津大學電子信息工程學院碩士研究生，主要研究領域為天線理論研究與設計.

潘 勇 （1981－），男，重慶人，重慶三峽學院計算機學院講師，博士，主要研究領域為物聯(lián)網(wǎng)通信、天線理論與設計.

金 杰，侯梓葉，潘 勇.基于缺陷地結構的寬帶多頻天線設計［J］.電波科學學報，2015，30（1）：104-108.

10.13443／j.cjors.2014033101

JIN Jie，HOU Ziye，PAN Yong.Design of broadband multi-frequency antenna based on the defected ground plane［J］.Chinese Journal of Radio Science，2015，30（1）：104-108.（in Chinese）.doi：10.13443／j.cjors.2014033101

2014-03-31

國家自然科學基金（60777014）；高等學校博士學科點專項科研基金（20090032110027）聯(lián)系人：金杰E-mail：jinjie＠tju.edu.cn