 Journal of Antennas 天线学报, 2013, 2, 21-26 http://dx.doi.org/10.12677/ja.2013.24005 Published Online December 2013 (http://www.hanspub.org/journal/ja.html) The Resonance Principle and Designing Method of Multi-Bands Microstrip Antenna with Branch Shape* Xiliang Peng, Xingchang Wei Department of Information and Electronic Engineering, Zhejiang University, Hangzhou Email: weixc@zju.edu.cn Received: Oct. 16th, 2013; revised: Nov. 8th, 2013; accepted: Nov. 11th, 2013 Copyright © 2013 Xiliang Peng, Xingchang Wei. This is an open access article distributed under the Creative Commons Attribution License, which permits unrestricted use, distribution, and reproduction in any medium, provided the original work is properly cited. In accordance of the Creative Commons Attribution License all Copyrights © 2013 are reserved for Hans and the owner of the intellectual property Xiliang Peng, Xingchang Wei. All Copyright © 2013 are guarded by law and by Hans as a guardian. Abstract: In this paper, a kind of three-bands microstrip antenna composed of three branches was designed. Also, the S11 parameters of the antenna were simulated and measured. After that, the relationship between the dimension of antenna and the resonance frequency of antenna was analyzed by scanning the dimension parameters. At the same time, the results of dimension scanning were explained by analyzing the distribution of surface currents on the antenna. In order to gain larger attenuation in stopband than the antenna with three branches, an antenna composed of four branches was designed and its S11 parameters were simulated and measured. Then, an antenna occupying smaller dimension than the above antennas was proposed and the principle of widening its frequency bandwidth was stated. In the end, the general method of designing this kind of antenna was concluded. Keywords: Multi-Bands; Surface Currents; Attenuation in Stopband 枝节状多频段微带天线的谐振机制与设计方法研究* 彭希亮，魏兴昌 浙江大学信息与电子工程学系，杭州 Email: weixc@zju.edu.cn 收稿日期：2013 年10 月16日；修回日期：2013 年11 月8日；录用日期：2013年11 月11日 摘 要：本文首先设计了一个三枝节微带天线，并给出了该天线的 S11 参数的仿真结果与实测结果。而后，采 用了参数扫描的方法来分析天线相应结构的尺寸大小对谐振频率的影响，然后通过分析各个谐振频率处的天线 表面电流分布，从理论上阐明参数扫描结果。为了获得更大的带外衰减，本文在三枝节天线的基础上又设计了 一个四枝节天线，然后仿真并测试了其 S11 参数。接下来，本文设计了一个尺寸减小的四枝节天线，并分析了 增强相应频段带宽的原理。最后，本文总结了设计该类枝节状天线的一般方法。 关键词：多频段；表面电流；带外衰减 1. 引言 随着移动通信技术的发展，应用于手机上的通信 频段早已不再局限于单频段。其中最常用的频段有 GSM900 (890 MHz - 960 MHz)，DCS (1710 MHz - 1880 MHz)，WLAN2.4 (2400 MHz - 2480 MHz)。实 现 多频段工作的方案主要分为两大类，一类是用多个工 作频段不同的单频段天线实现多频段工作，简称多天 *资助信息：本文受到国家自然科学基金(61274110, 61371031)；浙 江省自然科学基金(LZ12F04001, Z1110330)；高等学校博士学科点 专项科研基金(20120101110034) 和中央高校基本科研业务费 (2013xzzx008-2, 2012QNA5017)的支持。 Open Access 21  枝节状多频段微带天线的谐振机制与设计方法研究 线方案，另一类是使用一个多频段天线实现多频段工 作，简称多频段方案。多频段方案相比于多天线方案， 天线总体尺寸较小，馈电网络简单，成本较低，因此 多频段方案在实际应用中优势明显。 从S11 曲线的角度来看，目前实现多频段工作模 式的方法大都如下[1-5]：即设计一个天线，并使得它的 S11 曲线上出现两个“阻带”(S11 小于−10 dB 或其它 指定值的一个连续频段)，同时要让这两个“阻带”覆 盖至少三个频段。然而这种方法的劣势是明显的，仅 以设计一个能同时覆盖 G SM900，DCS ，WLAN2.4 等三个频段的印刷天线为例，传统方法要求天线 S11 曲线的第一个“阻带”覆盖GSM900 和DCS，第 二 个 “阻带”覆盖 WLAN2.4(或者天线 S11曲线的第一个 “阻带”覆盖GSM900 ，第二个“阻带”覆盖 DCS 和WLAN2.4，这里仅以前述频段分配方式为例)，这 就会导致天线覆盖了 960 MHz~1710 MHz之间的工作 外频段。天线本应覆盖的频段只有320 MHz，传统方 法会额外覆盖750 MHz，由于噪声与带宽成正比，从 而导致噪声增加高达234.4%。 为了克服传统多频段天线的缺陷，本文提出了一 种枝节状多频段印刷天线，它的 S11 曲线具有三个“阻 带”，分别覆盖 GSM900，DCS，WLAN2.4，这样设 计可以最大限度地减少噪声对天线性能的影响。与此 同时，本文还通过分析天线表面电流分布阐述了该天 线的谐振机制。最后，根据对该天线工作原理的讨论， 本文归纳了设计这类天线的基本方法。 2. 天线基本结构与 S11参数 如图 1，是三枝节天线的尺寸结构示意图。该天 线共有三层，其顶层是由铜构成天线贴片，中间一层 是由 FR4(εr = 4.4)构成的介质层，底层是由铜构成的 地。该天线由同轴线馈电。天线共有三个不同的枝节， 可以在天线工作时形成三个不同的表面电流路径，进 而产生三个不同谐振频率和工作频段。 我们采用电磁场全波仿真图1中提出的天线结 构，并采用矢量网络分析仪进行测量。如图 2所示， 是三枝节天线的S11参数仿真结果与实测结果。观察 图2不难发现，实测结果相对于仿真结果略微向低频 方向偏移，这是因为实际使用的PCB 板介质的介电常 数大于仿真时的预设值(εr = 4.4)造成的。若以−10 dB 作为计量该天线的频段的标准，那么它的实际频段分 Figure 1. Structure of three-branch antenna 图1. 三枝节天线结构图 Figure 2. Simulation and measurement of three-branch antenna about S11 图2. 三枝节天线 S11 仿真结果与实验结果 布情况如表1所示。 3. 天线表面电流分布与参数扫描 如图 3所示，分别是天线在三个频段谐振频率处 的表面电流分布。 由于低频段和中频段的表面电流在 P1 处有分 布，而高频段的表面电流在 P1 处分布较少，因此 P1 的长度变化会对低频段以及中频段的谐振频率产生 影响,但对高频段的谐振频率影响较小。如图4所示， 三个频段的谐振频率均会随着 P1 的增长而降低，但 高频段的谐振频率变化较小。发生上述现象的原因 如下：研究表明，天线的谐振频率与天线谐振时的 表面电流路径长度成负相关关系。因此当 P1 增长时， 相当于增长了各频段的表面电流路径，于是谐振频 率会下降。 类似的，由于天线在中频段以及高频段时均在 P2 上有较强电流分布，而低频段的表面电流在 P2 分布较少，因此如图 5所示，当增长 P2 的长度时， 天线在高频段和中频段的表面电流路径会增长，但 低频段的表面电流路径长度基本不变，所以高频段 和中频段的谐振频率均会下降而低频段的谐振频率 Open Access 22  枝节状多频段微带天线的谐振机制与设计方法研究 Table 1. Bands distribution of three-branch antenna 表1. 三枝节天线的频段分布情况 频段 频段范围 目标频段 低频段 748.2 MHz - 910.9 MHz GSM 900 中频段 1689.4 MHz - 1796.1 MHz DCS 高频段 2219.5 MHz - 2409.3 MHz WLAN 2.4 Figure 3. Surface currents distribution at the resonance frequency of three-branch antenna 图3. 三枝节天线在谐振频率处的表面电流分布情况 Figure 4. Relationship between the length of P1 and the S11 of three-branch antenna 图4. P1长度对三枝节天线 S11 参数的影响 Figure 5. Relationship between the length of P2 and the S11 of three-branch antenna 图5. P2长度对三枝节天线 S11 参数的影响 基本不变。 由于在低频段以及中频段时，天线的表面电流在 P3 处分布较少，而当天线工作于高频段时，天线的表 面电流在 P3分布较多，因此可以考虑通过调节P3 的 相关参数从而单独调节高频段的谐振频率的位置，同 时使低频段和中频段的谐振频率的位置不变。如图 6 所示，当 P3的线宽增加时，天线在高频段的表面电 流路径长度增长，而中频段以及低频段的表面电流路 径长度基本不变，因此高频段的谐振频率会下降而另 外两频段的谐振频率基本不变。 4. 带外衰减改进方案 进一步分析图2所示三枝节天线的S11曲线实测 结果，可以看到其中频段与高频段之间的阻带最大 S11 值只有约−3.75 dB，为了获得更大的带外衰减， 进而更好的抑制带外噪声，需要改进三枝节天线，从 而提高中频段与高频段之间的阻带最大 S11值。改进 后的天线结构如图7所示，为了叙述方便，以下将改 进后的天线称为四枝节天线。如图8是四枝节天线的 S11 参数仿真结果与实测结果。若以−10 dB 作为计量 该天线频段的标准，那么它的实际频段分布情况如表 2所示。 由图 9可知，四枝节天线比三枝节天线多一个阻 抗谐振点，该谐振点可以使得中频段和高频段之间的 Z11 实部最低点更低，从而使得中频段和高频段之间 的频段阻抗失配更剧烈，从而获得更高的 S11。由图 8可知，加入额外枝节后，天线的中频段和高频段之 间的实测阻带最大S11 约为−1.46 dB，该结果相比于 三枝节天线有明显改善。 5. 尺寸减小方案 为了进一步减小天线的尺寸，可以考虑将四枝节 天线的最长枝节作弯折处理，但是在仿真中发现，如 果过度弯折，则会导致整个天线的 S11曲线畸变。基 于以上考虑，本文提出了如图 10所示的改进天线， 它的 S11 仿真结果如图 11所示，若以−10 dB作为计 量该天线的频段的标准，那么它的频段分布情况如表 3所示。 观察图 10，不难发现该天线的结构与四枝节天线 基本相同，但是它的最长枝节的线宽明显比四枝节天 线的最长枝节要宽，这是因为在实际设计中发现，当 把天线作弯折处理后，天线在低频段的带宽发生衰 Open Access 23  枝节状多频段微带天线的谐振机制与设计方法研究 Figure 6. Relationship between the length of P3 and the S11 of three-branch antenna 图6. P3长度对三枝节天线 S11 参数的影响 Figure 7. Structure of four-branch antenna 图7. 四枝节天线结构图 Figure 8. Simulation and measurement of four-branch antenna about S11 图8. 四枝节天线 S11 仿真结果与实验结果 Table 2. Bands distribution of four-branch antenna 表2. 四枝节天线的频段分布情况 频段 频段范围 覆盖频段 低频段 851.2 MHz - 960.5 MHz GSM 900 中频段 1681.3 MHz - 1901.5 MHz DCS 高频段 2387.9 MHz - 2487.7 MHz WLAN 2.4 减，不足以完全覆盖 GSM900 频段，但当加宽该最长 枝节的线宽后，天线可在低频段处可获得足够带宽从 而完全覆盖GSM900 频段。关于增加枝节线宽与增加 Figure 9. Relationship between the new branch and the Z11 real part of four-branch antenna 图9. 新枝节对四枝节天线 Z11实部的影响 Figure 10. Structure of four-branch antenna which occupies smaller dimension 图10. 尺寸减小的四枝节天线结构图 Figure 11. S11 simulation result of four-branch antenna which occupies smaller dimension 图11. 尺寸减小的四枝节天线 S11 仿真结果 Table 3. Bands distribution of four-branch antenna which occupies smaller dimension 表3. 尺寸减小的四枝节天线频段分布情况 频段 频段范围 目标频段 低频段 877 MHz - 1079 MHz GSM 900 中频段 1705 MHz - 1942 MHz DCS 高频段 2377 MHz - 2494 MHz WLAN 2.4 天线相应频段带宽之间的关系如下文所述。 天线的损耗主要由辐射损耗，导体损耗，介质损 耗，表面波损耗造成，相应的，可得天线的品质因数 Open Access 24  枝节状多频段微带天线的谐振机制与设计方法研究 计算公式如下： 1 111 1 rcdsw Q QQQQ 其中： Q——天线总的品质因数； Qr——天线辐射损耗的品质因数； Qc——天线导体损耗的品质因数； Qd——天线介质损耗的品质因数； Qsw——天线表面波损耗的品质因数。 当增加枝节的线宽时，枝节的宽长比会增大，此 时天线的 Qr将可能在一定程度上减小[6]，于是从上式 可知，天线的Q值将减小，相应频段的带宽将增大。 因此当天线的某频段的带宽不足时，可以通过增加相 应枝节线宽从而在相应频段获得足够带宽。 6. 设计该类天线的通用方法 研究表明，设计该类枝节状多频段天线具有一般 通用方法。仅以设计一个可以覆盖GSM 900，DCS， WLAN 2.4这三个频段的三频段天线为例。设计流程 如图 12所示，首先需要设计出类似于图1的三枝节 天线，三个枝节分别用于产生三个不同的表面电流路 径，将沿天线贴片从馈电点计量至相应枝节末端的长 度作为各自的表面电流路径长度，各频段的谐振频率 可用矩形微带天线的谐振频率计算公式先大致估算[7] 300 2r f l 谐振频率 式中： f谐振频率 ——天线谐振频率，单位为 GHz； l——天线表面电流路径长度，单位为 mm； r ——介质层的相对介电常数。 由上式可粗略设计出天线各个枝节的长度。 然而，在实际设计中，天线的谐振频率会与上式 存在偏差，因此需要细调各枝节长度，步骤如下，如 图3：1) 首先调节 P1 长度，虽然此时三个频段的谐 振频率均会变化，但只需保证低频段的谐振频率到达 指定区域；2) 调节 P2 的长度，此时高频段和中频段 的谐振频率均会变化，但低频段不会变化，在这一步 只需保证中频段被调节到指定位置；3) 调节 P3 的线 宽，此时只有高频段会变化，于是可以在这一步中将 Figure 12. The design method of three-band antenna presented by flow diagram 图12. 三频段天线设计流程图 高频段调节到合适频段。经过以上三步，天线的三个 谐振频段即可均处于指定频段。 如果天线在某频段的带宽不够，则可以通过增加 相应枝节的宽长比从而达到增加带宽的目的。如果天 线在某两个频段之间的带外衰减不足，那么可采用增 加额外枝节的方法增强衰减。当天线结构发生变动 后，其频段位置可能发生偏移，此时则需要按照图12 所示方法进行调节。 7. 结语 本文设计了三个三频段枝节状天线，并从表面电 流路径角度分析了其参数扫描结果。与此同时，本文 还给出了设计该类天线的一般步骤，介绍了抑制带外 衰减和增强目标频段的带宽的原理与具体方法，该设 计方法简单明确，可操作性较强。 参考文献 (References) [1] Ban, Y.-L., Chen, J.-H., Yang, S., Li, J.L.W., et al. (2013) Low- profile printed octa-band LTE/WWAN mobile phone antenna using embedded parallel resonant structure. IEEE Transactions on Antennas and Propagation, 61, 3889-3894. [2] Le Bolter, F. and Louzir, A. (2001) Multi-band annular slot antenna for WLAN applications. Eleventh International Conference on Antennas and Propagation, 2, 529-532. [3] Dai, C.D., Wu, D.L. and Wu, Y.J. (2013) Design of an internal multi-band loop antenna for multiple mobile handset operations. IEEE International Wireless Symposium (IWS), 14-18 April 2013, 1-4. 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