张梦怡，王 田

（1.南京工业大学 电气工程与控制科学学院，江苏 南京 211800；2.北京航空航天大学 自动化科学与电气工程学院，北京 100191）

0 引 言

物联网（Internet of Thing）是在互联网基础上的延伸和扩展的网络，其用户的终端扩展到了物品，任何物品都能成为智能终端[1]。WiFi/WLAN作为无线通信技术快速发展的产物，得到了很广泛的应用，是未来物联网系统最热门的应用互联技术之一。应用于该技术频段（2.4～2.483 GHz/5.15～5.875 GHz）的双频天线在近几年也得到了很大的发展[2-7]。但是，这些应用于终端设备的天线大部分都具有全向的辐射特性，从发射设备的角度考虑，由于要实现点对点的通信，或者由于安装环境的影响，设备背后通常会有个比较大的反射地板，此时则要求天线具有非常良好的定向辐射特性，以满足通信的需求。对于双频定向天线而言，国内外都有广泛的研究[8-10]，但是这些天线都存在一些缺点，比如频带不够宽，增益不够大，体积不够小等。

本文在前人的研究基础上提出一种新型的双频定向天线结构，该天线结构采用微带线耦合馈电的方式进行馈电，使用一对长的和一对短的印刷型对称振子，分别谐振在低频和高频频段来实现双频辐射，大大提高了天线集成度。通过加载封闭的金属背腔，实现了定向辐射的特性，也进一步提高了天线的增益，满足了无线设备对高增益定向天线的需求。电磁仿真软件的仿真结果表明，该天线结构在2.4～2.5 GHz以及5.0～6.0 GHz频带范围内能实现良好的定向辐射特性。

1 天线结构

天线结构如图1所示，其采用了印制电路板（Printed Circuit Board，PCB）技术，将辐射振子结构印制在厚度为0.5 mm，相对介电常数εr=2.2的介质基板的两面。天线包含一对长印刷振子和两对短印刷振子，长印刷振子的长度l1=28.3 mm，设计谐振在2.4 GHz频段，短印刷振子的长度l2=13.3 mm，设计谐振在5 GHz频段，两短印刷振子之间的距离l4=21.2 mm。两个辐射振子结构都印刷在介质基板的同一面上，距离g=1 mm。

图1 天线结构图Fig.1 Diagram of antenna structure

为了拓展天线的工作带宽，该天线采用微带线耦合馈电的方式对辐射振子结构进行馈电，耦合馈电微带线的长度l3=11.5 mm，辐射振子结构的臂作为微带线的地。50 Ω馈电同轴线内同轴连接耦合馈电微带线，外同轴连接辐射振子臂。通过将该天线结构放置在长、宽、高和厚度分别为80 mm，120 mm，12 mm和1 mm的金属腔内，实现天线结构定向的辐射特性。微波介质基板一方面作为印刷天线结构的介质基板，另一方面又可作为整个天线的盖板，实现保护天线的功能。该天线的其他结构参数分别为：w1=5.4 mm，w2=2.1 mm，w3=6.1 mm，w4=1.6 mm。

2 设计与分析

天线的工作原理如图2所示，该天线可以分成两部分：一部分是工作于低频段的长印刷对称振子；另外一部分是工作于高频段的短印刷振子对。通过将两长短辐射振子相结合，从而实现双频辐射的特性。为了满足定向辐射的要求，在天线的一面加载了反射地板。一般来说，为了实现定向辐射，反射板与辐射天线之间的距离h应在λ4附近，这样反射波才能和原辐射波在另一面进行电场叠加，从而实现定向辐射，并提高天线的增益。但对于该双频天线来说，由于两个频段的波长相差比较大，反射板与天线的距离h无法同时满足两个频段的波长谐振需求，所以两个谐振单元必然会互相影响各自频段的天线辐射特性或者阻抗特性。在这里由于低频段的谐振单元对阻抗带宽的要求比较窄，所以优先选择反射地板到天线的距离h在高频段λ4附近。

图2 天线工作原理图Fig.2 Working principle of antenna

首先对构成天线结构的两个振子单元分别进行射频性能仿真，然后再将二者结合成组合结构进行仿真，将三者的仿真数据进行比较，比较结果如图3所示。其中，在软件设置当中，三个天线单元都采用离散端口进行馈电。通过三者的性能比较可以看出，将两种振子结构进行组合后的天线结构能够同时工作在所设计的两个工作频段，在两个频段都能够有效进行谐振辐射，这证实了天线设计思路的正确性。

图3 天线单元输入端口反射系数的仿真结果Fig.3 Simulation results of reflection coefficient at input port of antenna cell

图4给出了天线单元在不同工作频段下的表面电流的仿真结果。从图4中可以看到，当天线工作在2.4 GHz频段时，天线的表面电流集中在长振子臂上；当天线工作在5 GHz频段时，天线的表面电流集中在短振子臂上。这与之前的设计思路相符合，同时也进一步证明了天线的工作原理。

从上面组合后的双频印刷天线输入端口反射系数的仿真结果可以看出，其工作带宽还不能满足通信的要求。为了更进一步拓展该天线结构的工作带宽，这里采用微带耦合线的馈电形式对天线进行馈电。射频输入信号通过50 Ω同轴线馈入天线，同轴线的内同轴结构连接耦合微带线，外同轴结构连接印刷振子的一臂，低频印刷振子臂一方面作为辐射振子臂，另一方面作为地板，耦合微带线通过电磁耦合的作用，给另一振子臂进行馈电。而对于高频印刷振子来说，射频信号还需经过一印刷平衡双线，再给两高频振子臂馈电，这种馈电形式简单可靠，能够有效地提高天线的工作带宽，在很宽的工作频段内实现较为良好的阻抗匹配。

图4 单元天线表面电流仿真结果Fig.4 Simulation results of antenna surface current

通过使用CST Microwave Studio®电磁仿真软件对该天线结构的各项尺寸参数进行仿真和优化，调整天线的各项性能，通过优化后天线输入端口反射系数的仿真结果如图5所示。

图5 优化后天线输入端口反射系数的仿真结果Fig.5 Simulation result of optimized reflection coefficient at input port of antenna

从仿真结果可以看出，天线输入端口反射系数在2.4～2.5 GHz频段和5.0～6.0 GHz频段范围内都小于-10 dB。同时又给出了天线的归一化辐射方向图和增益的仿真结果，分别如图6和图7所示。可以看出，该天线在2.4 GHz和5 GHz两个工作频段内都具有良好的定向辐射特性，而且各频段的天线辐射增益分别能达到9 dB和10.5 dB，能够同时满足双频工作的需求。

3 结 论

本文设计了一种高增益双频定向天线，该天线使用印刷型对称振子作为辐射单元，采用金属背腔结构的形式实现定向辐射以及高增益特性。使用CST Microwave Studio®电磁仿真软件对该天线结构的各项尺寸参数进行仿真和优化工作，仿真结果表明，该天线在2.4～2.5 GHz以及5.0～6.0 GHz的工作频带范围内，驻波系数小于2.0，各自频段所对应的天线辐射增益分别能达到9 dB和10.5 dB。该天线具有良好的双频高增益定向辐射特性，且结构简单、尺寸小、剖面低、易于加工组装，应用范围十分广泛，可以应用于物联网系统中。

图6 天线归一化辐射方向图的仿真结果Fig.6 Simulation results of normalized radiation pattern of antenna

图7 天线增益的仿真结果Fig.7 Simulation result of antenna gain