双频段宽角度覆盖背腔缝隙天线(WACCBSA)的设计与性能研究

为解决智能家居设备中金属机身对天线性能的限制问题，研究人员设计了一种新型双频段宽角度覆盖背腔缝隙天线(WACCBSA)。该天线采用薄背腔结构和寄生元件加载技术，在2.4 GHz和5.5 GHz频段分别实现13.97%和11.25%的阻抗带宽，水平面辐射增益在±90°范围内均优于-4.9 dBi。研究成果为金属外壳物联网设备提供了低剖面、高集成度的天线解决方案，发表于《Journal of Information and Intelligence》。

　　

随着物联网(IoT)时代的到来，智能家居设备对天线性能提出了更高要求。传统全金属机身设备虽然具有美观耐用等优势，但其电磁屏蔽特性严重制约了天线辐射效率。当前Wi-Fi应用普遍采用偶极子或锥形天线实现全向辐射，但这些方案存在剖面高、金属兼容性差等缺陷。背腔缝隙天线(CBSA)虽能通过腔体结构减少环境耦合，但现有设计多局限于单频段工作，且宽角度覆盖性能不足。如何实现金属机身设备中的双频段、低剖面、宽波束天线，成为制约智能家居发展的关键技术瓶颈。

针对这一挑战，国内研究人员创新性地提出了一种双频段宽角度覆盖背腔缝隙天线(WACCBSA)。该设计通过薄背腔结构激发特殊缝隙模式，结合寄生元件和并联短缝隙结构，在40mm高的金属圆柱体内实现了2.4GHz/5.5GHz双频段工作。研究团队采用三维电磁仿真软件优化天线参数，通过矢量网络分析仪和微波暗室测试验证性能。特别值得注意的是，该设计创造性地将腔体厚度缩减至6.25mm（0.05λ₀），通过弯曲缝隙结构使水平面辐射覆盖扩展至±90°。

在"天线设计"部分，研究揭示了薄背腔的作用机制。通过六种渐变结构对比实验发现，当腔体厚度从31.25mm减至6.25mm时，谐振频率显著提高，阻抗特性趋于稳定。弯曲角度实验表明，180°弯曲结构在5.5GHz频段将辐射零点完全消除。在"寄生元件影响"研究中，加载39Ω寄生元件使5.5GHz频段电流重新分布，辐射增益波动从8dB降至5dB。并联短缝隙结构则通过引入5.2GHz谐振点，将高频带宽扩展至720MHz。

实测数据显示，该天线在2.13-2.45GHz和5.20-5.82GHz频段的反射系数均优于-10dB，完全覆盖Wi-Fi双频段。辐射特性方面，低频段增益为-0.78至0.39dBi，高频段达2.22-5.21dBi，水平面方向图波动小于5dB。与文献报道的CBSA相比，该设计在保持0.05λ₀超薄剖面的同时，首次实现了金属机身内的双频段工作，且辐射均匀性提升40%以上。

这项研究的意义在于：首先，薄背腔设计突破了传统CBSA的体积限制，为金属外壳设备天线集成提供了新思路；其次，寄生元件加载技术解决了高频段辐射不均匀的行业难题；最后，并联短缝隙结构创新性地实现了双频段阻抗匹配。该成果已成功应用于智能家居终端，其设计方法论对5G毫米波天线开发也具有重要参考价值。论文作者Ying Liu团队特别指出，这种天线结构未来可通过开关技术组合实现真正全向辐射，在工业物联网领域具有广阔应用前景。