隨著無線通信技術的發展，信道容量不斷擴充,傳輸速率不斷提高,不同的運行體制之間越來越相互兼容,服務方式也越發靈活，使無線通信的工作頻段一再上拓。從 GSM900/1800到CDMA、GPRS及2.4 GHz的藍牙通信系統以及2.4 GHz/5.2 GHz/5.8 GHz的WLAN系統，這些不同系統之間的交互通信就需要多頻天線。連同對設備的小型化集成化的要求，于是提出了對小尺寸、多頻帶、集成化天線的迫切需求。
   當前的研究表明，實現天線多頻特性的方法主要包括多單元諧振[1]、槽縫[2]及探針加載[3]、分形[4]等，其中分形作為實現多頻特性的新方法越來越受到人們的關注，多頻分形天線以其小型化、易制作等優勢逐漸被廣泛提出和應用，近年來比較典型的分形天線有Sierpinski分形天線、樹狀分形天線、矩形自相似天線等。
    本文設計出一類具有正方形嵌套結構的多頻天線，為平衡微帶線饋電的雙面印刷的對稱振子天線，制作了印刷多頻天線實物并對其進行了測量。通過對實驗結果與仿真結果的比較分析，證明該多頻天線設計思路是正確的。將該天線與已有的多頻天線進行比較，說明正方形嵌套天線具有小型化的特點，可以廣泛地應用在多頻通信系統中。
1 天線設計
1.1天線結構
    正方形嵌套分形天線由多環分形天線[1]演化而來，其輻射單元由多個正方形的環嵌套得到，由此得到了新型正方形嵌套天線,如圖1所示。兩種天線均可視為將正方形或者圓形的金屬片掏空形成金屬環，然后由大到小依次嵌套而得到。以此為基礎，就可以進行正方形嵌套對稱振子天線的設計，如圖2所示。圖2中的方案包括兩部分，一是輻射部分即兩個正方形嵌套振子，二是饋電部分即平衡微帶線，采用這種饋電方式解決了對稱振子的平衡饋電問題。天線為雙面印刷電路板形式，深色部分為導體,介質材料為厚度為1.5 mm的FR4介質材料，其相對介電常數為4.4。

1.2天線饋電結構特點
    一般測試饋電采用的SMA接頭是同軸線形式，是一種非平衡的饋電結構，對于對稱振子而言需要平衡饋電，平衡微帶線[5]是一種平衡結構的傳輸線，已經廣泛應用于印刷型的對稱振子饋電中，參考文獻[6]中的饋電結構引入了分流式平衡器，這種方法會使天線的帶寬變窄，不適用于超寬帶和多頻天線的饋電。本文提出的同軸線-準微帶線-平衡微帶線饋電方法解決了這一問題。如圖3所示，準微帶線的寬度與其地板寬度相差不大，而平衡微帶線則是由兩個寬度相同的金屬帶條正對著印刷在介質板的兩側。通過準微帶線的過渡，與對稱振子的兩極相連的傳輸線為平衡微帶線，從而使饋電達到了平衡。印刷型的對稱振子多數情況下印刷在介質板的兩側，這會引起對稱振子兩極不共軸，破壞方向圖的對稱性，為防止這一情況出現，將對稱振子的兩極印刷在介質板的同側，一極與同側的平衡微帶線的一支直接相連，另一極與印刷在介質板另一側的平衡微帶線的另一支通過延長段和金屬化的過孔相連，由于兩個振子饋電頂點的距離較近，并且介質板很薄，所以延長段和金屬過孔并不能引入較大的附加相移和阻抗變化，這時對稱振子的兩極電位是等幅反相的。

2 天線仿真與實驗結果
    這種天線最終的輻射單元為三個正方形嵌套單元，將實現三頻特性。通過仿真獲得的天線尺寸為：l1=12 mm， l2=9.2 mm，l3=8.2 mm，l4=7.6 mm，l5=7.3 mm, wg=5 mm，hg=22 mm，ws=45 mm，hs=40 mm，w=3 mm，h=9 mm，hf=25 mm，wf=3 mm，lf=9 mm。其中l1~l5分別為由外至內嵌套正方形的邊長，根據以上參數制作了天線實物。天線的仿真與實測結果列于圖4中，仿真得到的天線工作頻帶分別為：2.29 GHz~2.71 GHz、5.12 GHz~5.25 GHz和5.75 GHz~5.97 GHz，相對帶寬分別為：16.8%，2.5%和3.75%,實測的天線工作頻帶為：2.37 GHz~2.76 GHz和4.99 GHz~6.21 GHz，相對帶寬為15.2%和21.8%，從圖中還可以看出，天線在H面輻射方向近似全向，仿真與實測結果相吻合。
    由于實際天線介質材料和實驗條件的影響，測試所得到的反射系數與仿真結果還會有一定的差異，因為測試所得的反射系數的降低,導致了以5.2 GHz和5.8 GHz為中心頻點的工作頻帶合并,結果使4.99 GHz~6.21 GHz范圍內的反射系數均低于-10 dB，但還是可以從圖4(a)中看出這一頻率范圍內出現了兩個諧振頻率，出現這一問題的原因是由于介質板的損耗導致的，由于本文所采用的介質材料為FR4基板，這種材料的損耗正切為10-2數量級,與常用的Rogers材料的損耗正切10-3量級相比，屬于損耗較大的介質材料，所以在輻射體輸入端反射的通過饋線傳輸到饋電端口的功率降低，使反射系數降低，即主要是由饋線的介質損耗造成了反射系數降低；另外，有耗介質材料必然具有色散特性，頻率越高色散特性越明顯,實際的介質材料還具有不均勻性，在實驗中SMA接頭和天線饋線的焊接處的不連續性也會影響到反射系數，上述三個方面的共同作用就會造成實測的反射系數對應的諧振頻率與仿真值有偏差的問題。

    介質損耗和實驗條件還會影響方向圖的測試結果，具體體現在介質的不均勻性會導致天線方向圖的不對稱，位于天線底端的測試夾具會影響到天線E面和H面方向圖的測試結果。但是對于本文所提出的天線來說，H面的全向輻射特性是最重要的。測試結果表明，雙極天線的H面不圓度均不超過5 dB，這個結果是可以被接受的，尤其是在近距離無線傳輸的應用領域。
    測試結果還表明，FR-4介質材料在頻率低于4 GHz的頻率范圍是可以獲得和理想情況下的仿真結果類似的性能，當頻率過高時，其性能將有較大下降，但在短距離無線傳輸的應用領域是可以滿足天線實際要求的。
    所設計的天線為水平極化的印刷型的平面天線，天線輻射體的最大尺寸與最低工作頻率所對應的波長的比值K僅為0.134，與表1中所列舉的參考文獻[2]設計的全向多頻天線相比，具有顯著的小型化的特點，并且由于采用了平衡微帶線這種印刷型傳輸線進行饋電，可以更容易地與通信系統進行集成，在WLAN領域將有著廣泛的應用。

    設計了一類新型正方形嵌套天線，該天線由不同大小的正方形環嵌套得到。通過CST MICROWAVE STUDIO?誖進行仿真研究，設計出了具有多個工作頻帶的采用平衡微帶線饋電的嵌套正方形對稱振子印刷天線，它的工作頻帶涵蓋了WLAN系統所要求的2.4 GHz/5.2 GHz/5.8 GHz三個頻率。制作了天線實物進行測試，天線實測結果與仿真吻合較好，而且在主極化方向上的尺寸較小，易于集成，可廣泛應用于WLAN系統中。
參考文獻
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[2] LI F, REN L S, ZHAO G, et al. A compact microstripline-fed slot antenna with dual band-notched characteristics for WLAN/WiMAX applications. Progress In Electromagnetics Research Letters, 2010,16:89-97.
[3] SHINGH A K,MESHRAM M K. Shorting pin loaded dualband compact rectangular microstrip antenna. International  Journal of Electronics,2007,94(3):237-250.
[4] KRISHNA D D,GOPIKRISHNA M, ANANDAN C K, et al. CPW-fed koch fractal slot antenna for WLAN/WiMAX  applications. IEEE Antennas and Wireless Propagation Letters, 2008,7:389-392.
[5] SIMONS R N, LEE R Q, PERL T D. Non-planar linearly tapered slot antenna with balanced micro-strip feed[C]. IEEE AP-S,1992:2109-2112.
[6] KOUZAKI T, KIMOTO K, KUBOTA S, et al. Quasi yagiuda antenna array for detecting targets in a dielectric substrate. IEEE International  Conference on Ultra-Wideband,  2009:759-762.