随着无线通信技术的发展，信道容量不断扩充,传输速率不断提高,不同的运行体制之间越来越相互兼容,服务方式也越发灵活，使无线通信的工作频段一再上拓。从 GSM900/1800到CDMA、GPRS及2.4 GHz的蓝牙通信系统以及2.4 GHz/5.2 GHz/5.8 GHz的WLAN系统，这些不同系统之间的交互通信就需要多频天线。连同对设备的小型化集成化的要求，于是提出了对小尺寸、多频带、集成化天线的迫切需求。
当前的研究表明，实现天线多频特性的方法主要包括多单元谐振[1]、槽缝[2]及探针加载[3]、分形[4]等，其中分形作为实现多频特性的新方法越来越受到人们的关注，多频分形天线以其小型化、易制作等优势逐渐被广泛提出和应用，近年来比较典型的分形天线有Sierpinski分形天线、树状分形天线、矩形自相似天线等。
本文设计出一类具有正方形嵌套结构的多频天线，为平衡微带线馈电的双面印刷的对称振子天线，制作了印刷多频天线实物并对其进行了测量。通过对实验结果与仿真结果的比较分析，证明该多频天线设计思路是正确的。将该天线与已有的多频天线进行比较，说明正方形嵌套天线具有小型化的特点，可以广泛地应用在多频通信系统中。
1 天线设计
1.1天线结构
正方形嵌套分形天线由多环分形天线[1]演化而来，其辐射单元由多个正方形的环嵌套得到，由此得到了新型正方形嵌套天线,如图1所示。两种天线均可视为将正方形或者圆形的金属片掏空形成金属环，然后由大到小依次嵌套而得到。以此为基础，就可以进行正方形嵌套对称振子天线的设计，如图2所示。图2中的方案包括两部分，一是辐射部分即两个正方形嵌套振子，二是馈电部分即平衡微带线，采用这种馈电方式解决了对称振子的平衡馈电问题。天线为双面印刷电路板形式，深色部分为导体,介质材料为厚度为1.5 mm的FR4介质材料，其相对介电常数为4.4。

1.2天线馈电结构特点
一般测试馈电采用的SMA接头是同轴线形式，是一种非平衡的馈电结构，对于对称振子而言需要平衡馈电，平衡微带线[5]是一种平衡结构的传输线，已经广泛应用于印刷型的对称振子馈电中，参考文献[6]中的馈电结构引入了分流式平衡器，这种方法会使天线的带宽变窄，不适用于超宽带和多频天线的馈电。本文提出的同轴线-准微带线-平衡微带线馈电方法解决了这一问题。如图3所示，准微带线的宽度与其地板宽度相差不大，而平衡微带线则是由两个宽度相同的金属带条正对着印刷在介质板的两侧。通过准微带线的过渡，与对称振子的两极相连的传输线为平衡微带线，从而使馈电达到了平衡。印刷型的对称振子多数情况下印刷在介质板的两侧，这会引起对称振子两极不共轴，破坏方向图的对称性，为防止这一情况出现，将对称振子的两极印刷在介质板的同侧，一极与同侧的平衡微带线的一支直接相连，另一极与印刷在介质板另一侧的平衡微带线的另一支通过延长段和金属化的过孔相连，由于两个振子馈电顶点的距离较近，并且介质板很薄，所以延长段和金属过孔并不能引入较大的附加相移和阻抗变化，这时对称振子的两极电位是等幅反相的。

2 天线仿真与实验结果
这种天线最终的辐射单元为三个正方形嵌套单元，将实现三频特性。通过仿真获得的天线尺寸为：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分别为由外至内嵌套正方形的边长，根据以上参数制作了天线实物。天线的仿真与实测结果列于图4中，仿真得到的天线工作频带分别为：2.29 GHz~2.71 GHz、5.12 GHz~5.25 GHz和5.75 GHz~5.97 GHz，相对带宽分别为：16.8%，2.5%和3.75%,实测的天线工作频带为：2.37 GHz~2.76 GHz和4.99 GHz~6.21 GHz，相对带宽为15.2%和21.8%，从图中还可以看出，天线在H面辐射方向近似全向，仿真与实测结果相吻合。
由于实际天线介质材料和实验条件的影响，测试所得到的反射系数与仿真结果还会有一定的差异，因为测试所得的反射系数的降低,导致了以5.2 GHz和5.8 GHz为中心频点的工作频带合并,结果使4.99 GHz~6.21 GHz范围内的反射系数均低于-10 dB，但还是可以从图4(a)中看出这一频率范围内出现了两个谐振频率，出现这一问题的原因是由于介质板的损耗导致的，由于本文所采用的介质材料为FR4基板，这种材料的损耗正切为10-2数量级,与常用的Rogers材料的损耗正切10-3量级相比，属于损耗较大的介质材料，所以在辐射体输入端反射的通过馈线传输到馈电端口的功率降低，使反射系数降低，即主要是由馈线的介质损耗造成了反射系数降低；另外，有耗介质材料必然具有色散特性，频率越高色散特性越明显,实际的介质材料还具有不均匀性，在实验中SMA接头和天线馈线的焊接处的不连续性也会影响到反射系数，上述三个方面的共同作用就会造成实测的反射系数对应的谐振频率与仿真值有偏差的问题。

介质损耗和实验条件还会影响方向图的测试结果，具体体现在介质的不均匀性会导致天线方向图的不对称，位于天线底端的测试夹具会影响到天线E面和H面方向图的测试结果。但是对于本文所提出的天线来说，H面的全向辐射特性是最重要的。测试结果表明，双极天线的H面不圆度均不超过5 dB，这个结果是可以被接受的，尤其是在近距离无线传输的应用领域。
测试结果还表明，FR-4介质材料在频率低于4 GHz的频率范围是可以获得和理想情况下的仿真结果类似的性能，当频率过高时，其性能将有较大下降，但在短距离无线传输的应用领域是可以满足天线实际要求的。
所设计的天线为水平极化的印刷型的平面天线，天线辐射体的最大尺寸与最低工作频率所对应的波长的比值K仅为0.134，与表1中所列举的参考文献[2]设计的全向多频天线相比，具有显著的小型化的特点，并且由于采用了平衡微带线这种印刷型传输线进行馈电，可以更容易地与通信系统进行集成，在WLAN领域将有着广泛的应用。

设计了一类新型正方形嵌套天线，该天线由不同大小的正方形环嵌套得到。通过CST MICROWAVE STUDIO?誖进行仿真研究，设计出了具有多个工作频带的采用平衡微带线馈电的嵌套正方形对称振子印刷天线，它的工作频带涵盖了WLAN系统所要求的2.4 GHz/5.2 GHz/5.8 GHz三个频率。制作了天线实物进行测试，天线实测结果与仿真吻合较好，而且在主极化方向上的尺寸较小，易于集成，可广泛应用于WLAN系统中。
参考文献
[1] SONG C T P, HALL P S, SHIRAZ H G. Multiband multiple ring monopole antennas. IEEE Transactions on Antennas and Propagation, 2003,51(4):722-729.
[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.