WLAN双频微带天线HFSS设计

王野 | 320科技工作室 | HFSS电磁仿真

一、设计指标与两种天线方案

WLAN通信需覆盖2.4GHz、5.2GHz与5.8GHz三个免授权频段，作为系统关键部件的天线须在双频段内兼顾宽频带、小尺寸与高增益。本文基于Ansoft高频结构仿真器HFSS，设计两种双频微带天线：其一为微带线馈电的宽带双频印刷单极子天线，辐射单元由两个矩形贴片与T形折叠贴片组成，尺寸仅16mm×29mm；其二为同轴馈电的方形贴片天线，通过在贴片两缘开阶梯槽、内部开折叠槽实现双频工作，尺寸25mm×25mm。两种天线均采用低成本的FR4介质基板（相对介电常数4.4、厚度1.6mm）。

图1 印刷单极子天线结构图（两个矩形贴片+T形折叠贴片，50Ω微带线馈电，FR4基板）

二、宽带双频印刷单极子天线设计

天线1通过镜像原理引入接地板，将半波振子长度减半，等效为单极子的四分之一波长，谐振频率由 f=c/(4L√εr) 决定。采用50Ω微带线馈电，辐射单元的两个矩形贴片（长L2、宽L3）与T形折叠贴片（竖直段L4、水平段L5、折叠段L6）共同作用。通过HFSS扫描各参数：增大L2使2.4GHz谐振点左移、高频谐振点显著下降；L3主要影响匹配与带宽；L4、L5、L6增大时低频谐振点下降而高频基本不变。经优化后整体尺寸16mm×29mm×1.6mm，天线工作在2.4~2.52GHz与4.5~7.5GHz，阻抗带宽分别达120MHz与3GHz，覆盖2.4/5.2/5.8GHz三个WLAN频点，三个频段最大辐射方向增益分别为4.4dB、4.1dB与5dB。

图2 天线1回波损耗S11曲线（工作频段2.4~2.52GHz与4.5~7.5GHz，覆盖2.4/5.2/5.8GHz）

图3 天线1方向图（E面呈"∞"形、H面呈圆形，全向辐射特性好）

三、双频微带贴片天线的开槽与改进

天线2为边长25mm方形贴片，采用50Ω同轴馈电，馈点距贴片中心xp。开槽是实现双频与小尺寸的关键：先在贴片两缘开1mm宽矩形槽，得到2.6GHz、5.45GHz、6.08GHz三个谐振点，仍不在目标频段；调整为阶梯槽后谐振点为2.44GHz、5.24GHz、6.2GHz，但第三个无用谐振点（6.2GHz）仍会干扰正常使用。为消除第三频点，在阶梯槽基础上增开一对对称折叠槽：水平段L2=8mm、折叠段L3=7mm、竖直段W2=4.5mm。改进后天线仅剩2.43GHz与5.2GHz两个谐振点，回波损耗低于-10dB的带宽为60MHz（2.4~2.46GHz）与240MHz（5.16~5.4GHz），两频段驻波比均小于2，工作频段增益大于0、大部分频段达4dB，实现25mm×25mm的小型化双频天线。

图4 双频微带贴片天线结构图（边长25mm方形贴片+阶梯槽，50Ω同轴馈电）

图5 改进双频微带天线结构图（对称折叠槽消除第三谐振点）

图6 改进天线S11曲线（2.43GHz与5.2GHz双频，带宽60MHz与240MHz）

图7 改进天线增益曲线（工作频段增益大于0，大部分频段可达4dB）

四、我们提供的服务

① WLAN/蓝牙等多频微带天线HFSS仿真设计（单极子、贴片、PIFA等结构）。 ② 天线小型化与双频/多频实现（开槽、折叠、加载等工艺）。 ③ 天线参数扫描与优化（S11、VSWR、增益、方向图、输入阻抗全指标）。 ④ 阻抗匹配与馈电设计（微带线馈电、同轴馈电、耦合馈电）。 ⑤ 天线方向图与辐射特性分析（E面/H面、全向性评估）。

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