一種應(yīng)用于ISM頻段和WiFi頻段的共面波導型天線

張笑恒 賀青 遲宗濤

摘要： ?針對傳統(tǒng)剛性天線存在尺寸大和剖面高的問題，本文設(shè)計一種應(yīng)用于ISM頻段和WiFi頻段的共面波導型天線。選用介電常數(shù)為3.5，損耗角正切0.002，厚度為50 μm的柔性聚酰亞胺基板，通過共面波導的饋電方式，在初始矩形貼片天線的基礎(chǔ)上，進行縫隙切割和增加天線諧振回路的方法調(diào)整帶寬。同時，通過Ansoft公司推出的三維立體電磁仿真軟件對該天線進行優(yōu)化。優(yōu)化結(jié)果表明，通過對輻射貼片進行縫隙切割，可以在不增加天線尺寸的前提下改變天線電流分布路徑，實現(xiàn)帶寬和諧振頻率同時向低頻移動。該天線具有20 mm×30 mm×0.05 mm的緊湊尺寸，仿真-10 dB以下的工作帶寬為2.34～2.53 GHz，較好的滿足ISM2.4 GHz（2.42～2.484 8 GHz）和WiFi2.4 GHz（2.412～2.472 GHz）的頻段，是一款結(jié)構(gòu)簡單、易于加工、低成本、重量輕、尺寸小、剖面低的柔性天線。該研究為超薄柔性天線的小型化設(shè)計提供了解決方法。

關(guān)鍵詞： ?柔性天線; ISM頻段; WiFi2.4; 低剖面; 共面波導; 小型化

中圖分類號： TN822 ?文獻標識碼： A

天線作為無線通信的重要部件，其性能好壞影響著整個系統(tǒng)的信號強弱。近年來，在工業(yè)、科學、醫(yī)療頻段有著廣泛應(yīng)用的ISM頻段、WiFi頻段[12]和5G[34]等無線通信技術(shù)獲得快速發(fā)展。WiFi頻段做為無線通信技術(shù)中的重要研究方向受到越來越多的關(guān)注[56]。李學識等人[7]在相對介電常數(shù)為3.66的羅杰斯4350基板上，設(shè)計了一款新型的基于互補開口諧振環(huán)結(jié)構(gòu)和條形縫隙的貼片天線，尺寸為72 mm×63 mm×1.58 mm;王利紅等人[8]在介電常數(shù)為4.4的FR4基板上，提出一種用于WiFi頻段的小型化雙頻天線，天線尺寸為24 mm×13 mm×1.2 mm;鄧文強等人[9]提出了一種應(yīng)用于2.4/3.4 GHz/WiFi/5 G的雙頻段微帶貼片天線，天線尺寸為40 mm×40 mm×1.6 mm。由于天線曾多次與穿戴技術(shù)相結(jié)合，在人體穿戴領(lǐng)域具有廣泛的應(yīng)用[1015]。目前，穿戴天線主要有織物天線[16]、紐扣天線[1719]和柔性天線三類[20]。王培杰等人[2122]設(shè)計的穿戴天線具有較好的通訊性能，但彎曲性能較差，不具備可穿戴性。為能更好的適應(yīng)人類需求，提高穿戴者的舒適感，可穿戴設(shè)備往往需要具備體積小、厚度薄、易與人體共形、靈活輕便等特性。相比于其他幾種可穿戴天線，柔性天線具有可彎曲性和質(zhì)量輕薄的特點，可以較好的滿足穿戴需求。許德成等人[23]設(shè)計出的雙頻微帶柔性可穿戴天線，在彎曲狀態(tài)下仍然保持較好性能。雖然柔性天線具有較好的發(fā)展前景，但所研究的天線厚度都在1 mm以上，不利于天線的小型化和共形。因此，本文設(shè)計了一種應(yīng)用于ISM頻段和WiFi頻段的共面波導型柔性天線，天線厚度只有50 μm，較好的滿足ISM頻段和WiFi頻段在2.4 GHz處的帶寬要求。該研究為超薄柔性天線的小型化設(shè)計提供了理論依據(jù)。

1 天線模型

天線尺寸為20 mm×30 mm×0.05 mm。天線貼片是在矩形貼片的基礎(chǔ)上設(shè)計，對矩形貼片進行縫隙切割，切割出兩個“山”字型對立貼片，地面是兩個對稱的矩形貼片，天線襯底是厚度為50 μm的聚酰亞胺基板，相對介電常數(shù)3.5，損耗角正切0.002。由于天線厚度很薄，微帶線饋電很難保證其特性阻抗為50 Ω，因此采用共面波導饋電。本文優(yōu)化后的天線尺寸為：L=30 mm，L1=5.5 mm，L2=12 mm，L3=14.6 mm，L4=8 mm，L5=1.5 mm，L6=1.5 mm，W=20 mm，W1=7.75 mm，W2=3.5 mm，W3=2 mm，W4=7 mm，g=0.5 mm。天線結(jié)構(gòu)如圖1所示。

2 天線設(shè)計

通過Ansoft公司推出的三維立體電磁仿真軟件，對本文所設(shè)計的天線進行優(yōu)化，優(yōu)化后的|S11|曲線在-10 dB以下帶寬滿足2.42～2.484 8 GHz。給出初始天線參考模型（ANT1），隨后對模型ANT1進行矩形縫隙切割，得到參考模型ANT2，并對模型ANT2進行貼片縫隙切割，得到最終優(yōu)化后的天線，天線設(shè)計過程參考模型如圖2所示。

將模型ANT1、ANT2和優(yōu)化后天線|S11|進行對比分析，參考天線與優(yōu)化后天線|S11|對比結(jié)果如圖3所示。

由圖3可以看出，模型ANT1天線在-10 dB以下帶寬為3.09～3.37 GHz，對模型ANT1進行縫隙切割后，天線的諧振回路發(fā)生變化，貼片的等效長度邊長及模型ANT2的帶寬會向低頻移動，此時模型ANT2的天線在-10 dB以下帶寬為2.97～3.84 GHz，而經(jīng)過優(yōu)化后的天線在-10 dB以下帶寬為2.34～2.53 GHz，該設(shè)計滿足ISM頻段2.4 GHz的要求。

3 天線仿真分析

設(shè)地面高度為L4，優(yōu)化后天線|S11|隨L4變化曲線如圖4所示。由圖4可以看出，當L4取8，9，10，11，12 mm時，優(yōu)化后天線的帶寬分別為2.34～2.53，2.35～2.53，2.37～2.53，2.39～2.54和2.43～2.53 GHz。當L4從8 mm增加到12 mm時，帶寬和諧振頻率向高頻移動，在L4取8 mm時，帶寬最優(yōu)。

設(shè)地面之間的縫隙為g，優(yōu)化后天線|S11|隨g變化曲線如圖5所示。由圖5可以看出，當g取0.25，0.5，0.75 mm時，天線帶寬分別為2.37～2.56，2.34～2.53，2.31～2.48 GHz。雖然縫隙越小，帶寬曲線會越靠下，但在天線的制作過程中很難實現(xiàn)。因此，綜合考慮天線帶寬和制作難度，g取0.5 mm。

4 結(jié)束語

本文主要設(shè)計了一種應(yīng)用于ISM頻段和WiFi頻段的共面波導型天線。在厚度為50 μm的柔性聚酰亞胺基板上，采用共面波導和貼片縫隙切割實現(xiàn)天線的帶寬，并進行仿真優(yōu)化。仿真結(jié)果表明，在-10 dB以下的工作帶寬為2.34～2.53 GHz，滿足設(shè)計要求，為天線的小型化設(shè)計提供了方法。由于共面波導饋電的天線在帶寬方面性能較好，但增益為2.11 dB欠佳，這也是本文天線的不足之處。與以往ISM2.4 GHz和WiFi2.4 GHz頻段天線相比，本文優(yōu)化后的天線具有尺寸小和剖面低的優(yōu)勢，并且天線襯底價格低廉、模型簡單、為大規(guī)模生產(chǎn)提供可行性。同時，該天線適用于可折疊的WWAN終端、WBAN設(shè)備和醫(yī)療傳感器等。下一步將研究如何提高天線增益，以在柔性天線領(lǐng)域獲得更好的成果。

參考文獻：

[1] Sugimoto H， Sasagawa D， Suzuki Y， et al. Higher data rate wireless LAN system based on OFDM[C]∥International Symposium on Wireless Personal Multimedia Communications， Honolulu， HI， USA： IEEE， 2002： 734737.

[2] Nee R V， Jones V K， Awater G， et al. The 802.11n MIMO-OFDM standard for wireless LAN and beyond[J]. Wireless Personal Communications， 2006， 37（3）： 445453.

[3] Yang B Q， Yu Z Q， Lan J， et al. Digital Beamforming-based massive MIMO transceiver for 5G Millimeter-wave communications[J]. IEEE Transactions on Microwave Theory and Techniques， 2018， 66（7）： 34033417.

[4] ?鄭麗萍， 和銘. 應(yīng)用于5G無線通信的微帶周期結(jié)構(gòu)帶通濾波器設(shè)計[J]. 重慶郵電大學學報： 自然科學版， 2019， 31（4）： 517523.

[5] Bolcskei H. MIMO-OFDM wireless systems： basics， perspectives， and challenges[J]. IEEE Wireless Communications， 2006， 13（4）： 3137.

[6] Bejarano O， Knightly E， Park M. IEEE 802. 11ac： from channelizaion to multi-user MIMO[J]. IEEE Communications Magazine， 2013， 51（10）： 8490.

[7] 李學識， 蔡述庭， 余金全， 等. 兼容4G/WiFi/WiMAX的新型寬帶人工電磁媒質(zhì)天線設(shè)計[J]. 電訊技術(shù)， 2016， 56（12）： 13871392.

[8] 王利紅， 孫慧萍， 孫彩鋒. 一種用于WiFi頻段的小型化雙頻天線[J]. 山西大同大學學報： 自然科學版， 2017， 33（6）： 2831.

[9] 鄧文強， 柳溢航， 肖波， 等. WiFi/5G雙頻段列車車內(nèi)通信天線設(shè)計[J]. 鐵路通信信號工程技術(shù)， 2019， 16（1）： 2226.

[10] Tong X F， Liu C R， Liu X G， et al. Dual-band on/off-body reconfigurable antenna for wireless body area network （WBAN） applications[J]. Microwave and Optical Technology Letters， 2018， 60（4）： 945951.

[11] Saumya D， Hashinur I， Tanushree B. Compact low-profile body worn and wrist worn lightweight antenna for ISM and GPS band navigation and medical applications[J]. Microwave and Optical Technology Letters， 2018， 60（9）： 21222127.

[12] Sim C Y D， Tseng C W， Leu H J. Embroidered wearable antenna for ultrawideband applications[J]. Microwave & Optical Technology Letters， 2012， 54（11）： 25972600.

[13] Singh N， Singh A K， Singh V K. Design and performance of wearable ultrawide band textile antenna for medical applications[J]. Microwave & Optical Technology Letters， 2015， 57（7）： 15531557.

[14] Mersani A， Lotfi O， Ribero J M. Design of a textile antenna with artificial magnetic conductor for wearable applications[J]. Microwave & Optical Technology Letters， 2018， 60（6）： 13431349.

[15] Ouyang Y H， Chappell W J. High frequency properties of electro-textiles for wearable antenna applications[J]. IEEE Transactions on Antennas and Propagation， 2008， 56（2）： 381389.

[16] Joler M， Boljkovac M. A sleeve-badge circularly polarized textile antenna[J]. IEEE Transactions on Antennas & Propagation， 2018， 66（3）： 15761579.

[17] Sanz-Izquierdo B， Huang F， Batchelor J C. Covert dual-band wearable button antenna[J]. Electronics Letters， 2006， 42（12）： 668670.

[18] Sanz-Izquierdo B， Miller J A， Batchelor J C， et al. Dual-band wearable metallic button antennas and transmission in body area networks[J]. Iet Microwaves Antennas & Propagation， 2010， 4（2）： 182190.

[19] Sanz-Izquierdo B， Batchelor J C， Sobhy M I. Button antenna on textiles for wireless local area network on body applications[J]. Microwaves Antennas & Propagation Iet， 2010， 4（11）： 19801987.

[20] Simorangkir R， Yang Y， Esselle K P， et al. A method to realize robust flexible electronically tunable antennas using polymer-embedded conductive fabric[J]. IEEE Transactions on Antennas and Propagation， 2017， 61（1）： 7882.

[21] 王培杰， 程鉍峪， 楊凌升. 應(yīng)用于5.8 GHz的可穿戴天線設(shè)計與實現(xiàn)[J]. 安徽大學學報： 自然科學版， 2018， 42（6）： 7882.

[22] 張楚笛， 王黎明. 一種新型的超寬帶圓極化可穿戴天線研究[J]. 傳感器與微系統(tǒng)， 2018， 37（12）： 4951.

[23] 許德成， 郭小輝， 田小建， 等. 2.45 GHz與5.8 GHz雙頻柔性天線的設(shè)計[J]. 吉林大學學報： 理學版， 2016（6）： 14131417.