共面波導(dǎo)饋電的雙頻天線設(shè)計(jì)

彭 升，鄭宏興，張玉賢 萬(wàn)小鳳

（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）

共面波導(dǎo)饋電的雙頻天線設(shè)計(jì)

彭 升，鄭宏興，張玉賢 萬(wàn)小鳳

（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)了一種用共面波導(dǎo)饋電的雙頻天線，由切角的矩形和等腰梯形結(jié)構(gòu)組合而成，使天線工作在2.32～2.57 GHz和5.2～5.8 GHz頻段。仿真和實(shí)測(cè)結(jié)果表明：采用共面波導(dǎo)饋電使天線輻射的遠(yuǎn)場(chǎng)方向圖有更好的對(duì)稱性，這種天線工作頻段內(nèi)S11參數(shù)小于-10 dB，電壓駐波比小于1.5，相對(duì)工作帶寬達(dá)到52%，可應(yīng)用于無(wú)線局域網(wǎng)通信中。

共面波導(dǎo)饋電；平面型天線；無(wú)線局域網(wǎng)

無(wú)線局域網(wǎng)和通信技術(shù)的快速發(fā)展，對(duì)設(shè)備的小型化和寬頻帶提出了新的要求，為了更好地適應(yīng)這種需求，平面型天線[1]的應(yīng)用研究是非常必要的。同時(shí)，無(wú)線通信系統(tǒng)要求設(shè)備能高效可靠收發(fā)數(shù)據(jù)，要求天線能夠多頻帶工作，為此人們研究了多種小型多頻寬帶天線[2-3]。文獻(xiàn)[2]中作者提出了一種可同時(shí)工作于無(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）應(yīng)用頻段的雙頻寬帶印刷單極子天線，文獻(xiàn)[3]研究了一種寬帶折疊平面單極子天線，可滿足分散控制系統(tǒng)（distributed control system，DCS）、個(gè)人通訊服務(wù)（personal communications service，PCS）以及WLAN等應(yīng)用。上面提及的這些天線單元，前者尺寸偏大，后者采用探針饋電，都較難與系統(tǒng)集成。共面波導(dǎo)作為一種平面?zhèn)鬏斁€結(jié)構(gòu)[4]，容易實(shí)現(xiàn)與其他微波器件的集成。共面波導(dǎo)饋電的天線設(shè)計(jì)[5-6]主要圍繞寬頻帶、小型化等方面進(jìn)行。文獻(xiàn)[7-8]提出的共面波導(dǎo)寬頻帶天線，利用共面波導(dǎo)給矩形貼片饋電，通過(guò)調(diào)節(jié)寬帶微帶貼片和接地板間的距離，輻射貼片和饋線間可獲得良好的阻抗匹配，從而實(shí)現(xiàn)52%的阻抗帶寬，但是其設(shè)計(jì)工作頻段只是單個(gè)頻段，不能滿足當(dāng)前無(wú)線局域網(wǎng)通信要求。本文設(shè)計(jì)出一種共面波導(dǎo)饋電的雙頻天線，天線可以工作在2.32～2.57 GHz和5.2～5.8 GHz頻段，且制作簡(jiǎn)單，可集成在無(wú)線路由器、無(wú)線網(wǎng)卡等設(shè)備上。

1 天線結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)

天線采用平面結(jié)構(gòu)，分為5個(gè)部分，如圖1所示。輻射貼片是由被切角的矩形1和倒置的等腰梯形2組成，制作在相對(duì)介電常數(shù)εr=4.4，厚度h=1.6 mm的損耗FR4基板上，尺寸為L(zhǎng)×W。天線采用共面波導(dǎo)饋電，對(duì)饋線的寬度wf和縫隙s0進(jìn)行合理的調(diào)整，使得天線在2.32～2.57 GHz和5.2～5.8 GHz頻段都有著較好的阻抗匹配。

圖1 天線結(jié)構(gòu)圖

共面波導(dǎo)結(jié)構(gòu)一般采用介電常數(shù)較高的基板[9]，波導(dǎo)內(nèi)部的波長(zhǎng)小于λ0，因此電磁場(chǎng)集中在介質(zhì)和空氣界面附近。由于在金屬導(dǎo)帶和接地導(dǎo)帶之間存在交變電磁場(chǎng)，交變電磁場(chǎng)在空氣和介質(zhì)基片的交界處，可以產(chǎn)生縱向和橫向的交變電磁場(chǎng)，對(duì)于傳統(tǒng)的金屬波導(dǎo)而言，它的傳輸模式只有TE、TM波，而共面波導(dǎo)因其性質(zhì)不同，它傳輸?shù)氖菧?zhǔn)TEM波。共面波導(dǎo)用做傳輸線若要傳導(dǎo)TEM波，約束條件為:

式中:d=2wf+s0，圖1中3、4和5共同組成一個(gè)共面波導(dǎo)結(jié)構(gòu)，波導(dǎo)尺寸s0和w1需要重點(diǎn)考慮，其他參數(shù)的選取采用電磁仿真軟件HFSS15.02進(jìn)行分析。

2 參數(shù)選擇及實(shí)驗(yàn)

參數(shù)s0與波導(dǎo)縫隙尺寸相同，首先調(diào)節(jié)s0得到天線的S11參數(shù)如圖2所示。當(dāng)s0增大時(shí)，高頻傳輸零點(diǎn)上移，而低頻零點(diǎn)基本不動(dòng)，說(shuō)明s0對(duì)5.2～5.8 GHz頻段的影響明顯。圖3～圖7為天線S11隨w1、l1、l2、s3和w4的變化情況，觀察w1對(duì)天線的S11參數(shù)的影響，隨著w1增大，高頻傳輸零點(diǎn)明顯向右偏移，而對(duì)2.32～2.57 GHz頻段的諧振頻率影響較小，由圖3可知，w1對(duì)天線S11參數(shù)的影響非常顯著；必要觀察l1變化時(shí)，由圖4可知，l1對(duì)天線2個(gè)頻段諧振都有著一定影響，它的增大有助于展寬高頻段的帶寬。繼續(xù)觀察l2變化時(shí)，由圖5也可以發(fā)現(xiàn)，它的增大主要影響高頻段的帶寬，當(dāng)l2=6 mm時(shí)，高頻段帶寬最大。觀察s3變化時(shí)，由圖6可知，s3主要影響低頻段的帶寬，當(dāng)s3=26 mm，低頻段帶寬最大。最后觀察w4變化時(shí)，改變矩形的長(zhǎng)w4，由圖7可以可知，w4主要影響低頻段的中心頻段，低頻段中心頻率隨著w4的增大而左移，當(dāng)w4= 21.5 mm時(shí)，天線在2.32～2.57 GHz頻段得到最優(yōu)諧振。圖2～圖7給出了天線尺寸的選擇依據(jù)，根據(jù)上述分析，得到最佳尺寸參數(shù)如表1所示。

圖2 天線S11隨s0變化情況

圖3 天線S11隨w1變化情況

圖4 天線S11隨l1變化情況

利用表1的尺寸加工天線樣品，如圖8所示。采用AV3629高性能射頻一體化矢量網(wǎng)絡(luò)分析儀對(duì)天線實(shí)物S11和VSWR進(jìn)行測(cè)量，實(shí)測(cè)結(jié)果與仿真結(jié)果對(duì)比如圖9和圖10所示，測(cè)試結(jié)果和仿真結(jié)果基本吻合。天線的實(shí)測(cè)結(jié)果較仿真結(jié)果整體向左偏移，造成這種現(xiàn)象的原因可能是由于加工條件的限制，介質(zhì)板的介電常數(shù)在高頻時(shí)出現(xiàn)的偏移也會(huì)帶來(lái)一定的偏差，此外測(cè)量過(guò)程中的干擾或者是測(cè)量值的起伏也可能造成誤差?？傮w來(lái)說(shuō)，天線在2.32～2.57 GHz、5.15～5.80 GHz兩個(gè)頻段內(nèi)的S11參數(shù)小于-10 dB，并且天線各頻段中心頻率處的S11最小值均在-20 dB以下，達(dá)到了良好的向外傳輸特性，天線的VSWR如圖10所示，可以看到天線在以上各頻段內(nèi)的VSWR＜1.5。圖11為天線在3個(gè)工作頻點(diǎn)的E面和H面方向圖，H面的方向圖呈圓形，可以收發(fā)各個(gè)方向的信號(hào)，E面的方向圖呈近似的啞鈴型，這表明天線具有良好的全向輻射特性。

圖5 天線S11隨l2變化情況

圖6 天線S11隨s3變化情況

圖7 天線S11隨w4變化情況

表1 天線尺寸參數(shù) mm

圖8 天線實(shí)物圖

圖9 天線回波損耗曲線圖

圖10 天線電壓駐波比曲線圖

圖11 天線遠(yuǎn)場(chǎng)方向圖

3 結(jié)束語(yǔ)

本文設(shè)計(jì)了一種共面波導(dǎo)的雙頻天線，有效地實(shí)現(xiàn)了天線的小型化和平面化，能夠同時(shí)工作在2.32～2.57 GHz和5.2～5.8 GHz頻段。天線結(jié)構(gòu)簡(jiǎn)單，制作方便，結(jié)構(gòu)參數(shù)易于調(diào)整，在無(wú)線局域網(wǎng)通信中將會(huì)有更好的發(fā)展前景。

［1］張厚.共面波導(dǎo)饋電平面天線［M］.西安:西安電子科技大學(xué)出版社，2014.

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Design of dual-band antenna fed by coplanar-waveguide

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

A dual-band antenna is proposed in this paper.It is constructed with corner-free rectangle and isosceles trape zoid，and fed by a coplanar-waveguide（CPW）.Operation frequencies of the antenna are in 2.32-2.57 GHz and 5.2-5.8GHz. Simulation and measurement results show that the antenna has good symmetrical radiation pattern in far field as using CPW feed，and has wonderful impedance bandwidth and radiation efficiency，and the antenna S11parameter below-10 db in working frequency band；VSWR below 1.5，the work relative bandwidth reaches 52%.It can be used in the wireless local area networks communication system.

coplanar-waveguide；plane antenna；wireless local area networks

TN822.8

A

2095－0926（2015）02－0019－04

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）.

彭 升（1990—），男，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).