本研究提出了一种紧凑的双频组合环槽平面天线。 在无线通信中希望多功能天线能够覆盖所需频谱。所提出的天线由工作在低频段920 MHz的半矩形开口环(OEL)、在高频段2.4 GHz提供谐振的开口槽(OES)传输线和使用非对称共面带(ACS)线的馈电口组成。ACS用于激励天线以实现双频性能。制作的样机整体尺寸为32.5×53.5 mm2(0.1λo×0.16λo)，其中λo代表低频处的自由空间波长。从计算结果来看，该天线显示的两个阻抗带宽(估计为-10dB)分别为30 MHz(920-950 MHz)和300 MHz(2.2-2.5 GHz)，可以覆盖ISM频段(920 MHz)和2.45 GHz WiFi频段。事实上，该天线具有稳定的辐射模式，在低频段实现的峰值实测增益为1.8 dBi，高频段为4.2 dBi。  该天线显示了低剖面结构、单层和低成本制造的优点。  所提出的天线不仅实现了辐射效率的递增，而且重量轻，占地面积小。

 相关论文以题为“     Compact Dual-Band Tapered Open-Ended Slot-Loop Antenna For Energy Harvesting Systems    ”与2020年08月28日发表在《     Electronics    》上。

 随着无线通信技术和个人无线通信的极大发展，人们对具有多种功能的天线的需求不断增加。 在一些实际应用中，同时工作在不同频段的多频段天线是首选。例如，无线移动服务、卫星通信、生物医学诊断和能量采集等应用。位于0.9、2.4和5.8 GHz的免许可工业-科学-医疗(ISM)频段通常被用来支持无线功率传输(WPT)技术。目前，ISM频段的射频能量传输不仅前景广阔，而且随着一些先驱公司提出了几种完整的套件，它也成为了现实。然而，要使射频能量传输成为一种合适的、低成本的、易于使用的解决方案，为远程无线节点充分供电，仍有很大的需求。  其中最关键的一点关系到射频模块的采集能力，就是设计一个紧凑、简单、双频、轻巧的天线。

 天线结构描述

天线由贡献于OEL配置的缺口矩形环路(用ABCDEFA结构标识)、处理OES运行的槽形平行传输线(用CDEFGHIC结构标识)和ACS带状馈线组成。如图1所示，OEL分为两段，间隙间隔较小。通常情况下，当环形天线的周长接近一个波长时，环形天线就会发生共振(纯实阻抗)，与920MHz相当。

第一段有一个L形，它代表四分之一波长，定义为（Lp1+Lp2）。另一段是由(Lp4+Lp5+Lp6)定义的梯形组成，它与一条弯曲的传输线(Lp3)连接，以调整输入阻抗。梯形的总长度为半个波长。每段都加载了一个开槽，因此可以减少环形天线的总长度，并将谐振频率调到所需的工作频率。

 图1.拟建天线的几何形状，所有存在于天线上的尺寸都是以毫米为单位。拟建天线的几何形状，所有存在于天线上的尺寸都以毫米为单位。所有单位均以mm为单位。红色圆点表示每个字母的位置。这些字母的标识是为了简单描述上下文中的天线结构。

 参数化扫描分析

为了了解所提出的天线的正确操作，研究人员对其进行了参数研究，如图2所示。如前所述，在主辐射器旁边插入了一条平行的L条线，因此该天线配置可以产生双频特征。这种传输线的长度为Lp1，并进行了优化，以获得最佳性能。该参数在25～45mm之间变化，步长为5mm。相应的S11如图2a所示。从图中可以看出，改变Lp1后，较低的谐振频率会受到明显影响。同样，较高的谐振频率没有变化，但匹配度得到改善。将Lp1的值优化为41mm，在0.92和2.4GHz下产生最佳匹配条件。

 图2.开口槽天线的参数研究，(a)侧臂长度的参数研究，Lp1为臂长；(b)开口支杆长度的变化，Lp6，它可以调整阻抗匹配的水平；以及，(c)改变槽宽S3，这个参数并不改变谐振频率，但它可以控制阻抗匹配。

同样，研究人员也研究了OES天线的参数。如图2b,c所示，对开路支杆Lp6的长度和槽位分离宽度S3进行调整。这两个参数都会影响较高频率下的阻抗匹配水平。正如预期的那样，在低频处S11的变化很小，这两个参数都会显著影响高频段的天线性能。Lp6和S3的优化值分别为26和2mm。

为了进一步说明，研究人员开发了两款天线，以便研究人员简单了解天线的工作情况。Ant.1和Ant.2的S11如图3a所示。蓝色曲线代表Ant.1。可以观察到，这种天线并没有利用L段，所以它在2.4GHz处产生单次谐振。为了让这种配置在0.92 GHz处表现出第二个共振，插入矩形L金属条以形成OEL天线（Ant.2）。这个L条与主辐射器一起延伸，并以0.3毫米的分离间隙结束。这个间隙作为一个电容电抗，所以在谐振频率下散热器的总长度可以减少大约45%。

 图3.天线结构的性能，(a)天线的反射系数。天线结构的性能，（a）Ant. 1和Ant.2的反射系数。2，其中Ant.1代表没有平行于主辐射器的侧臂的标称情况，Ant. 2代表开发的天线结构，利用与主梯形散热器平行的段实现双频工作；（b）天线在0.92 GHz和2.45 GHz的表面电流。

表面电流分布如图3b所示，研究辐射模式。电流基本集中在环形天线内部，在地平面几乎没有电流流动。这解释了所提出的天线在低频段表现为环形天线。另一方面，在较高频率下的表面电流分布如图3b右侧所示。可以观察到，电流是流经主辐射体和地平面的。主辐射器的L臂作为一个导演，在较高频段将波束集中在端射方向。

天线的辐射效率用下面的方法来证明。所提出的天线由于达到了小型天线ka<1的条件(其中k=2×πλ，a为最大天线尺寸的一半)，因此被认为是小型天线。因此，选择惠勒帽法计算拟建天线的测量辐射效率。拟建天线的辐射效率如图4c所示。在低频段，平均峰值效率小于70%，而高频段效率超过70%。

 图4.拟议天线的实验性能，（a）在宽带宽上的输入反射系数，以强调920 MHz和2.4 GHz附近的双频工作；（b）测量和模拟的峰值实现增益，在峰值方向上计算低频和高频段的增益；以及，（c）低频和高频段的天线辐射效率。

 结论

 本研究阐述了一种设计紧凑、高效、双频组合天线的新方法，该天线可以在低频段0.92GHz和高频段2.4GHz同时工作。 该天线是基于一个简单的组合OEL和OES。该结构具有低成本制造和A单馈网络。研究表明，在0.92和2.4 GHz频段，天线整体增益分别为1.8 dBi和4.2 dBi。该天线的设计和优化，可以在ISM 900 MHz和Wi-Fi频段2.45 GHz的射频范围内捕获环境中的能量。这种天线在系统灵活性方面也是非常理想的。由于所提出的天线具有紧凑的结构，它可以被认为是低功率射频能量收集的重要候选者。  该平面结构对紧凑型无线设备很有希望，它可以在无线能量收集中找到应用。