第36卷第2期2021年6月
Vol.36No.
Jun.2021青岛大学学报(工程技术版)
JOURNAL OF QINGDAO UNIVERSITY(E&T)
拉纸笔文章编号：10069798(2021)02008304；DOI：10.13306/j.10069798.2021.02.013
一种应用于ISM频段和WiFi频段的共面波导型天线 张笑恒，贺青，迟宗涛
(青岛大学电子信息学院，山东青岛266071)
摘要：针对传统刚性天线存在尺寸大和剖面高的问题，本文设计一种应用于ISM频段和WiFi频段的共面波导型天线。选用介电常数为3.5，损耗角正切0.002，厚度为50［im的柔性聚酰亚胺基板，通过共面波导的馈电方式，在初始矩形贴片天线的基础上，进行缝隙切割和增加天线谐振回路的方法调整带宽。同时，通过Ansoft公司推出的三维立体电磁仿真软件对该天线进行优化。优化结果表明，通过对辐射贴片 进行缝隙切割，可以在不增加天线尺寸的前提下改变天线电流分布路径，实现带宽和谐振频率同时向低频移动。该天线具有20mmX30mmX0.05mm的紧凑尺寸，仿真一10dB以下的工作带宽为2.34—2.53GHz，较好的满足ISM2.4GHz(2.42〜2.4848GHz)和WiFi2.4GHz(2.412—2.472GHz)的频段，是一款结构简单、易于加工、低成本、重量轻、尺寸小、剖面低的柔性天线。该研究为超薄柔性天线的小型化设计提供了解决方法。
关键词：柔性天线；ISM频段；WiFi2.4；低剖面；共面波导；小型化
中图分类号：TN822文献标识码：A
天线作为无线通信的重要部件，其性能好坏影响着整个系统的信号强弱。近年来，在工业、科学、医疗频段有着广泛应用的ISM频段、WiFi频段12］和5G［3t］等无线通信技术获得快速发展。WiFi频段做为无线通信技术中的重要研究方向受到越来越多的关注56］。李学识等人［7］在相对介电常数为3.66的罗杰斯4350基板上，设计了一款新型的基于互补开口谐振环结构和条形缝隙的贴片天线，尺寸为72mm X63mm X 158mm；王利红等人［］在介电常数为4.4的FR4基板上，提出一种用于WiFi频段的小型化双频天线，天线尺寸为24mmX13mmX1.2mm；邓文强等人［9］提出了一种应用于2.4/3.4GHz/WiFi/5G的双频段微带贴片天线，天线尺寸为40mmX40mmX16mm。由于天线曾多次与穿戴技术相结合，在人体穿戴领域具有广泛的应用［015］。目前，穿戴天线主要有织物天线［6］、
纽扣天线［719］和柔性天线三类［20］。王培杰等人［2122］设计的穿戴天线具有较好的通讯性能，但弯曲性能较差，不具备可穿戴性。为能更好的适应人类需求，提高穿戴者的舒适感，可穿戴设备往往需要具备体积小、厚度薄、易与人体共形、灵活轻便等特性。相比于其他几种可穿戴天线，柔性天线具有可弯曲性和质量轻薄的特点，可以较好的满足穿戴需求。许德成等人［23］设计出的双频微带柔性可穿戴天线，在弯曲状态下仍然保持较好性能。虽然柔性天线具有较好的发展前景，但所研究的天线厚度都在1mm以上，不利于天线的小型化和共形。因此，本文设计了一种应用于ISM频段和WiFi频段的共面波导型柔性天线，天线厚度只有50/m，较好的满足ISM频段和WiFi频段在2.4GHz处的带宽要求。该研究为超薄柔性天线的小型化设计提供了理论依据。
1天线模型
天线尺寸为20mmX30mmX0.05mm。天线贴片是在矩形贴片的基础上设计，对矩形贴片进行缝隙切割，切割出两个“山”字型对立贴片，地面是两个对称的矩形贴片，天线衬底是厚度为50［im的聚酰亚胺基
收稿日期：20210210；修回日期：20210318
作者简介：张笑恒(1993儿男，硕士研究生，主要研究方向为硬件设计。
通信作者：贺青(1965)，男，博士、研究员，主要研究方向为电磁测量。Email：*************
84青岛大学学报(工程技术版)第 36 卷板，相对介电常数3. 5，损耗角正切0. 002。由于天线厚度很薄，微带线馈电很难保证其特性阻抗为50 Q，因 此采用共面波导馈电。本文优化后的天线尺寸为:L =30 mm,L 1=5.5 mm,L ?=12 mm ? L 3 =14. 6 mm , L 4 = 8 mm 丄 5 = 1. 5 mm , L & = 1. 5 mm , W = 20 mm , W 1 = 7. 75 mm , W 2 = 3.5 mm , W 3 = 2 mm , W 4 = 7 mm,g = 0. 5 mm 。天线结构如图1所示。
2天线设计文具盒生产过程
压差显示仪
通过Ansoft 公司推出的三维立体电磁仿真软件，对本文所设计的天线进行优化，优化后的S 1 |曲线在 —10 dB 以下带宽满足2. 42〜2. 484 8 GHz 。给出初始天线参考模型(ANT1)，随后对模型ANT1进行矩形 缝隙切割，得到参考模型ANT2，并对模型ANT2进行贴片缝隙切割，得到最终优化后的天线，天线设计过 程参考模型如图2 所示。
天线设计过程参考模型图1天线结构图图2将模型ANT1、ANT2和优化后天线|S “ |进行对
比分析，参考天线与优化后天线I S 11 |对比结果如图3
所示。
由图3可以看出，模型ANT1天线在一10 dB 以下
带宽为3. 09~3. 37 GHz，对模型ANT1进行缝隙切割
后，天线的谐振回路发生变化，贴片的等效长度边长及
模型ANT2的带宽会向低频移动，此时模型ANT2的
天线在一10 dB 以下带宽为2. 97〜3. 84 GHz，而经过优
化后的天线在一10 dB 以下带宽为2. 34〜2. 53 GHz，该
设计满足ISM 频段2. 4 GHz 的要求。-40----------------------------------------------------------------------2.0 2.2 2.4 2.6 2.8 3.0 3.2 3.4 3.6 3.8 4.0频率/GHz 图3 参考天线与本文天线I S 】】丨对比结果3天线仿真分析
设地面高度为L … ，优化后天线丨S 11丨随L 4变化曲线如图4所示。由图4可以看出，当L 4取8,9,10,11 , 12 mm 时，优化后天线的带宽分别为 2. 34 — 2. 53,2. 35 — 2. 53,2. 37 — 2. 53,2. 39 — 2. 54 和 2. 43 — 2. 53 GHz 。当L 4从8 mm 增加到1 2 mm 时，带宽和谐振频率向高频移动，在L 4取8 mm 时，带宽最优。
设地面之间的缝隙为g ，优化后天线S 1丨随g 变化曲线如图5所示。由图5可以看出，当g 取0.25, 0. 5,
0. 75 mm 时，天线带宽分别为2. 37 — 2. 56,2. 34 — 2. 53,2. 31—2. 48 GHz 。虽然缝隙越小，带宽曲线会 越靠下，但在天线的制作过程中很难实现。因此，综合考虑天线带宽和制作难度，g 取0. 5 mm
。
第2期张笑恒，等：一种应用于ISM频段和WiFi频段的共面波导型天线85
图4优化后天线|S J随L*变化曲线图5优化后天线|S J随g变化曲线
4结束语
本文主要设计了一种应用于ISM频段和WiFi频段的共面波导型天线。在厚度为50[im的柔性聚酰亚胺基板上，采用共面波导和贴片缝隙切割实现天线的带宽，并进行仿真优化。仿真结果表明，在一10dB 以下的工作带宽为2.34—2.53GHz，满足设计要求，为天线的小型化设计提供了方法。由于共面波导馈电的天线在带宽方面性能较好，但增益为2.11dB欠佳，这也是本文天线的不足之处。与以往ISM2.4GHz和WiFi2.4GHz频段天线相比，本文优化后的天线具有尺寸小和剖面低的优势，并且天线衬底价格低廉、模型简单、为大规模生产提供可行性。同时，该天线适用于可折叠的WWAN终端、WBAN设备和医疗传感器等。下一步将研究如何提高天线增益，以在柔性天线领域获得更好的成果。
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A CPW-fed Antenna Operating in ISM Band and WiFi Band
ZHANG Xiaoheng,HE Qi ng,CHI Zongtao
(College of Electronic Information,Qingdao University,Qingdao266071,China)
Abstract：In order to solve the problem of traditional rigid antenna with large size and high profile?a novel flexible CPW-fed antenna for ISM frequency band is proposed in this paper.The flexible polyimide substrate with3.5dielectric constant.,0.002tangent,of loss Angle and50fim thickness is selected.The initial model of the antenna is a rectangular patch coplanar waveguide antenna,then novel antenna is produced by cutting the initial model antenna and the resonant,loop is added to adj
ust the bandwidth.At the same time, the antenna is optimized by the three-dimensional electromagnetic simulation software launched by Ansoft. As the result,shows,the current,distribution path of the antenna without,increasing the size of the antenna can be changed by cutting the radiation patch.The bandwidth and resonant,frequency of the new antenna can move to low frequency simultaneously.The proposed antenna has a small size of20mm X30mm X 0.05mm.And the measured bandwidth of the proposed antenna is2.34〜2.53GHz,which can better meet, the requirements of ISM2.4GHz(2.42〜2.4848GHz)and WiFi2.4(2.412〜2.472GHz).A novel antenna with simple structure,easy machining,low cost.,light,weight.,small size and low profile in this paper proposed a solution for the design of antenna miniaturization.
Key words:flexible antenna；ISM；WiFi2.4；low profile；CPW；miniaturization
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