三頻梳狀縫隙天線設(shè)計(jì)

萬(wàn)小鳳，鄭宏興，張玉賢，彭 升

（天津職業(yè)技術(shù)師范大學(xué)天線與微波技術(shù)研究所，天津 300222）

三頻梳狀縫隙天線設(shè)計(jì)

萬(wàn)小鳳，鄭宏興，張玉賢，彭 升

（天津職業(yè)技術(shù)師范大學(xué)天線與微波技術(shù)研究所，天津 300222）

設(shè)計(jì)了一種三頻段梳狀縫隙天線，通過(guò)在輻射貼片上開(kāi)梳狀槽和圓環(huán)槽，以及在接地面上開(kāi)未封閉圓環(huán)形縫隙，使得天線的工作頻率分別為2.4 GHz、3.5 GHz和5.8 GHz。天線采用微帶線的饋電方式，它的S11在-10 dB時(shí)的帶寬分別是2.38～2.48 GHz、3.50～3.62 GHz和5.66～5.81 GHz，該天線能夠較好地應(yīng)用在無(wú)線局域網(wǎng)和全球微波互聯(lián)接入系統(tǒng)中。

縫隙天線；無(wú)線局域網(wǎng)；全球微波互聯(lián)接入

現(xiàn)代無(wú)線通信系統(tǒng)蓬勃發(fā)展，移動(dòng)終端需要在多個(gè)通信頻段上進(jìn)行工作，協(xié)同完成通訊過(guò)程中的接收和發(fā)射任務(wù)。但是移動(dòng)終端的空間非常有限，不同的單頻天線同時(shí)使用，容易產(chǎn)生嚴(yán)重的耦合，降低通訊質(zhì)量[1]，于是多頻天線被廣泛地應(yīng)用到各種無(wú)線通信領(lǐng)域中。無(wú)線局域網(wǎng)（wireless local area networks，WLAN）和全球微波互聯(lián)接入（worldwide interoperability for microwave access，WiMAX）正在逐步取代舊式的有線網(wǎng)絡(luò)模式，不再受地域和位置限制，WLAN的工作頻段為2.45 GHz（2.4～2.484 GHz）、5.25 GHz（5.15～5.35 GHz）和5.8 GHz（5.725～5.825 GHz），WiMAX的工作頻段為2.5 GHz（2.5～2.69 GHz）、3.5 GHz（3.4～3.69 GHz）和5.5 GHz（5.25～5.85 GHz）[2-3]。WLAN的優(yōu)勢(shì)在于具有較強(qiáng)靈活性和可移動(dòng)性，但是范圍覆蓋較窄。對(duì)于WiMAX，它的覆蓋范圍相對(duì)廣闊[4]。WLAN和 WiMAX同時(shí)使用，能進(jìn)一步優(yōu)化通信的質(zhì)量。本文通過(guò)在輻射貼片上開(kāi)槽以及在接地面上開(kāi)縫隙[5]，設(shè)計(jì)了一種三頻梳狀縫隙天線，能夠協(xié)同工作在WLAN和WiMAX波段。

1 結(jié)構(gòu)分析

在微帶天線的設(shè)計(jì)過(guò)程中，合適的介質(zhì)基板的選擇十分重要。假設(shè)矩形微帶天線的工作頻率為f，則輻射貼片的寬度W可以表示為[6]:

式中:εr為介質(zhì)基板的介電常數(shù)；c為光速；f為工作頻率。

由于存在邊緣縮短效應(yīng)，實(shí)際的輻射單元長(zhǎng)度L可表示為[6]:

式中:εe為有效介電常數(shù)；ΔL為等效輻射縫隙長(zhǎng)度；h為介質(zhì)基板厚度。εe和ΔL的計(jì)算公式如下[6]:

一般情況下，無(wú)窮大導(dǎo)電平板上的圓環(huán)縫隙可等效為面磁流的環(huán)形分布[7]，表示為:

式中:M為等效磁流；Ea為縫隙上的電場(chǎng)強(qiáng)度；ρ、φ分別為極坐標(biāo)參數(shù)；n為垂直于導(dǎo)體平板的單位矢量。由于圓環(huán)縫隙天線和電圓環(huán)天線之間符合二重性原理，容易得到圓環(huán)縫隙天線遠(yuǎn)區(qū)上的平面電磁波分布為[8]:

式中:（Eθ，Hφ）表示為遠(yuǎn)區(qū)場(chǎng)分布；r為電磁波的輻射距離；k為傳播常數(shù)；η0為真空波阻抗；J1為一階貝塞爾函數(shù)。設(shè)r1和r2分別表示圓環(huán)的內(nèi)、外半徑，圓環(huán)縫隙天線的中心頻率為[8]:

按照上述原理，天線的結(jié)構(gòu)如圖1所示，天線印刷在尺寸為L(zhǎng)×W×H的介質(zhì)基板上，εr=4.4。這種天線主要由介質(zhì)基板、輻射貼片、微帶饋電線和接地面組成。圖1（a）中的微帶饋線和輻射貼片的尺寸分別為L(zhǎng)1×W1和L2×W2。其中，輻射貼片內(nèi)部有梳狀結(jié)構(gòu)的矩形槽和封閉圓環(huán)槽。矩形槽在矩形輻射貼片的右下方，最下方2個(gè)矩形槽尺寸均為L(zhǎng)3×w，最上方矩形槽尺寸為L(zhǎng)4×w，各矩形槽間距為w，它們相鄰放置形成梳狀結(jié)構(gòu)。封閉圓環(huán)槽在矩形輻射貼片的左下方，小圓和大圓半徑分別為R1和R2。圖1（b）中的接地板尺寸為L(zhǎng)5×W，刻有未封閉的圓環(huán)縫隙，小圓和大圓半徑分別為R3和R4，位于接地面中心，圓環(huán)左下方被尺寸為L(zhǎng)6×W2的矩形所填充。

圖1 天線結(jié)構(gòu)圖

2 實(shí)驗(yàn)分析

利用HFSS15.0.2對(duì)三頻梳狀縫隙天線的結(jié)構(gòu)進(jìn)行仿真。當(dāng)在輻射貼片上只開(kāi)圓環(huán)槽時(shí)，天線諧振頻率處于2.6 GHz附近，如圖2（a）所示，-10 dB帶寬范圍在2.57～2.63 GHz，屬于WiMAX頻段范圍。但是在高頻區(qū)域5.2 GHz和6.1 GHz的兩個(gè)諧振頻點(diǎn)上，表現(xiàn)效果不理想。圖2（b）中對(duì)接地面進(jìn)行開(kāi)縫隙處理，得到這種天線的回波損耗S11在6.2 GHz附近接近-35 dB，-10 dB帶寬為6.13～6.36 GHz。由于接地面縫隙將原先為2.6 GHz的中心頻率遷移到2.46 GHz上，其向外輻射能力有所減弱。為了提高天線的輻射能力并實(shí)現(xiàn)三頻特性，于是在輻射貼片右下方開(kāi)梳狀槽，如圖2（c）所示。圖2（c）中的天線諧振在2.4 GHz、3.5 GHz以及5.8 GHz 3個(gè)頻段，其中-10 dB帶寬分別為2.38～2.48 GHz、3.5～3.62 GHz和5.66～5.81 GHz。此天線能有效應(yīng)用于802.11 b規(guī)定的2.4～2.485 GHz工作頻段、WiMAX規(guī)定的3.5 GHz頻段和802.11 a規(guī)定的5.8 GHz頻段內(nèi)。采用這種開(kāi)槽和縫隙的方式，實(shí)現(xiàn)WLAN和WiMAX的協(xié)同使用。

根據(jù)圖2的分析，利用HFSS軟件反復(fù)計(jì)算，選擇得出三頻梳狀縫隙天線的物理尺寸參數(shù)如表1所示。對(duì)天線的遠(yuǎn)場(chǎng)輻射特性進(jìn)行仿真，分別選取2.4 GHz、3.5 GHz和5.8 GHz作為參考頻點(diǎn)，給出xOz面和yOz面的遠(yuǎn)場(chǎng)輻射狀況，其遠(yuǎn)場(chǎng)分布如圖3所示。

圖2 天線對(duì)應(yīng)結(jié)構(gòu)的S11曲線圖

表1 優(yōu)化后的天線參數(shù) mm

采用AV3629高性能射頻一體化矢量網(wǎng)絡(luò)分析儀對(duì)天線進(jìn)行測(cè)試，為方便比較將天線仿真結(jié)果一并放入圖中，天線的回波損耗和電壓駐波比如圖4和圖5所示。從圖中可以看出，天線的實(shí)測(cè)結(jié)果和仿真結(jié)果基本吻合。產(chǎn)生誤差的原因是由于制作過(guò)程不夠嚴(yán)密和介質(zhì)損耗。

圖3 天線遠(yuǎn)場(chǎng)方向圖

圖4 天線回波損耗曲線對(duì)比圖

圖5 天線電壓駐波比曲線對(duì)比圖

3 結(jié)束語(yǔ)

本文設(shè)計(jì)了一種可以有效應(yīng)用在WLAN和WiMAX系統(tǒng)中的三頻梳狀縫隙天線，利用在輻射貼片上開(kāi)槽和在接地面上開(kāi)縫隙的方法，彌補(bǔ)了在通信系統(tǒng)中帶寬窄和多個(gè)單頻天線共同使用等缺陷，但在增益和方向圖特征方面還有待進(jìn)一步研究。

［1］裴強(qiáng).小型化多頻段微帶天線的研究與設(shè)計(jì)［D］.杭州:杭州電子科技大學(xué)，2011.

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［8］任王，鄧俊勇，洪少華，等.無(wú)線局域網(wǎng)的雙頻圓極化圓環(huán)縫隙天線設(shè)計(jì)［J］.浙江大學(xué)學(xué)報(bào)，2008，42（8）:1306-1309.

Design of tri-band comb-shaped slot antenna

WAN Xiao-feng，ZHENG Hong-xing，ZHANG Yu-xian，PENG Sheng
（Institute of Antenna and Microwave Techniques，Tianjin University of Technology and Education，Tianjin 300222，China）

A tri-band comb-shaped slot antenna is designed in this paper.By opening a comb groove and ring groove on the radiation patch and opening an annular gap in the ground，the operating frequency of the antenna is 2.4 GHz，3.5 GHz，and 5.8 GHz，respectively.The antenna uses micro strip line，whose bandwidth at S11-10 dB is 2.38-2.48 GHz，3.5-3.62 GHz and 5.66-5.81 GHz respectively and it can can be well used in the wireless local area network（LAN）and worldwide interoperability for microwave access system.

slot antenna；WLAN；WiMAX

TN822.8

A

2095－0926（2015）02－0015－04

2015-01-07

天津市應(yīng)用基礎(chǔ)及前沿技術(shù)研究計(jì)劃（12JCYBJC10500）；天津職業(yè)技術(shù)師范大學(xué)科研發(fā)展基金項(xiàng)目（KJY14-04）.

萬(wàn)小鳳（1990—），女，碩士研究生；鄭宏興（1962—），男，教授，博士，碩士生導(dǎo)師，研究方向?yàn)樘炀€、微波電路及計(jì)算電磁學(xué).