應(yīng)用于WLAN/WiMAX的CPW饋電雙頻天線設(shè)計

湯 雪 彬

（1. 江蘇省物聯(lián)網(wǎng)與制造業(yè)信息化工程研究中心，江蘇 常州 213164；2. 常州機電職業(yè)技術(shù)學院，江蘇 常州 213164）

應(yīng)用于WLAN/WiMAX的CPW饋電雙頻天線設(shè)計

湯 雪 彬1,2

（1. 江蘇省物聯(lián)網(wǎng)與制造業(yè)信息化工程研究中心，江蘇 常州 213164；2. 常州機電職業(yè)技術(shù)學院，江蘇 常州 213164）

提出并制作了一種新穎的應(yīng)用于WLAN和WiMAX的CPW（共面波導）饋電雙頻天線。該天線由L形縫隙和T型諧振器構(gòu)成。仿真和實測結(jié)果表明，該天線S11≤-10 dB的阻抗帶寬分別為2.38～3.38 GHz以及5.17～5.9 GHz，覆蓋了WLAN和WiMAX的所有工作帶寬。此外，該天線在所有工作頻段都具有適度的增益，并且結(jié)構(gòu)緊湊，尺寸只有30 mm×35 mm×1.6 mm。天線的實測結(jié)果與仿真結(jié)果具有較好的吻合性。

共面波導饋電；雙頻天線；微帶；WLAN/WiMAX；帶寬；通信

近年來，隨著多頻段多業(yè)務(wù)無線通信系統(tǒng)的飛速發(fā)展，適用于無線局域網(wǎng)(WLAN)和全球微波互聯(lián)接入(WiMAX)等應(yīng)用的多頻段通信系統(tǒng)的多頻段微帶天線得到了迅速的發(fā)展。由于具有結(jié)構(gòu)緊湊、成本低、易于制造等特點，多頻段微帶天線受到了許多研究者的廣泛關(guān)注，并且提出多種適用于WLAN/WiMAX的多頻段天線，如共面波導（CPW）饋電的天線[1-5]，單極子天線[6-9]，U形[10]、S形[11]和C形[12]縫隙天線，植入式天線[13]，以及平面倒F天線（PIFA）[14]等等。其中，CPW饋電天線具有許多優(yōu)點，如體積小、結(jié)構(gòu)簡單、易于集成等。其他類型的天線雖然有其自身的優(yōu)點，但也存在許多弊端，例如：單極子天線比CPW饋電的天線具有更高的輻射損耗，因為微帶傳輸線比CPW線更分散；縫隙技術(shù)雖然可以減小天線的電路尺寸，但其結(jié)構(gòu)復雜；植入式天線是非平面的，具有復雜的結(jié)構(gòu)，增加了成本和制造難度；而PIFA天線的阻抗帶寬比CPW饋電天線更窄[15]。

本文提出了一種新型的適用于WLAN和WiMAX的平面雙頻天線設(shè)計方案，天線由L形縫隙和T型諧振器構(gòu)成，與其他C型、S型CPW饋電的天線相比，具有體積小、結(jié)構(gòu)簡單等特點。同時，其阻抗帶寬可以通過改變L形縫隙的尺寸參數(shù)來控制，天線的阻抗帶寬覆蓋了WLAN和WiMAX通信系統(tǒng)的所有工作頻段。仿真與實際測量結(jié)果表明，本文提出的雙頻天線適用于WLAN/WiMAX通信系統(tǒng)，且工作穩(wěn)定，輻射性能良好。

1 天線設(shè)計

本文設(shè)計的雙頻天線的結(jié)構(gòu)如圖1（a）所示，圖1（b）展示了加工的天線原型照片。從圖1中可以看出，該天線由L形縫隙和T型諧振器構(gòu)成，天線被印制在一塊30 mm×35 mm×1.6 mm的FR4介質(zhì)板上，介質(zhì)板的相對介電常數(shù)為4.4，損耗角正切為0.02。各部分尺寸參數(shù)值見表1。

圖1 天線結(jié)構(gòu)示意圖和照片F(xiàn)ig.1 Schematics of configuration and photograph of the antenna

表1 天線各部分尺寸參數(shù)Tab.1 Values of dimension parameters of the antenna mm

圖2所示為三種類型的CPW饋電的天線結(jié)構(gòu)，對其在不同頻率條件下的反射系數(shù)與電場分布進行模擬測量。圖3顯示了這三種類型CPW饋電天線的仿真S11曲線。其中天線1和天線3阻抗帶寬范圍被設(shè)計在2.38～3.38 GHz低頻段，而天線2用于實現(xiàn)高頻段，三者結(jié)合形成了雙頻天線。此外，每個諧振單元的尺寸約等于四分之一的波導波長，即λg/4，于是所設(shè)計的中心頻率f可由以下公式[16]計算得到：

式中：c是在自由空間中的光速；λg為介質(zhì)中的導波長；εeff為有效介電常數(shù)；εr為介質(zhì)基板的相對介電常數(shù)。

圖2 三種類型天線的結(jié)構(gòu)圖Fig.2 Schematics of 3 kinds of antennas configurations

圖3 三種天線的模擬反射系數(shù)Fig.3 Simulated reflection coefficients of 3 kinds of antennas

為了進一步詳細說明文章提出的雙頻段天線的性能，利用高頻結(jié)構(gòu)仿真軟件HFSS進行了全波仿真。圖4分別給出了頻率為2.5，3.5，5.5 GHz處天線的表面電場分布示意圖。

圖4 天線的表面電場Fig.4 Surface electric field distribution of antennas

值得注意的是，在2.5 GHz頻率下大部分電場分布在L形槽附近，在3.5 GHz頻率下大部分電場分布在T型諧振器的一側(cè)，而在5.5 GHz頻率下電場則集中在T型諧振器的另一側(cè)。

圖5模擬了l1、l2和l3的變化對CPW饋電雙頻段天線的反射系數(shù)的影響。從圖5（a）可以看出，在3.5 GHz頻率附近，諧振頻率隨著l1的增加逐漸降低。由圖5（b）和5（c）則可以看出，在5.5 GHz和2.5 GHz頻率附近，諧振頻率則受l2和l3的長度影響。因此，本文提出的CPW饋電雙頻天線的性能可通過調(diào)節(jié)l1、l2和l3來進行優(yōu)化。

圖5l1、l2和l3的變化對CPW饋電雙頻天線的反射系數(shù)的影響Fig.5 Simulated reflection coefficients of the proposed antenna with variedl1,l2,l3

2 結(jié)果分析

圖6給出了對本文提出的雙頻天線反射系數(shù)的模擬和測試結(jié)果，測量工作是在Agilent N5244A網(wǎng)絡(luò)分析儀上完成。從圖中可以看出，雙頻段天線的阻抗帶寬在2.38～3.38 GHz以及5.17～5.9 GHz，工作頻段幾乎覆蓋了WLAN和WiMAX的所有工作帶寬。且從圖6中可以看出，仿真和實測結(jié)果之間基本吻合。

圖6 模擬和測量的天線反射系數(shù)Fig.6 Simulated and measured reflection coefficients of the proposed antenna

圖7（a）、（b）和（c）分別給出了中心頻率在2.5，3.5，5.5 GHz時，雙頻天線E面和H面的遠場輻射仿真與測量數(shù)據(jù)。從圖7（a）和（b）中可以看出，中心頻率在2.5和3.5 GHz時，H面具有全向輻射，E面的輻射圖看起來像數(shù)字8，類似于偶極子的輻射圖。而圖7（c）則顯示，在5.5 GHz時，E面和H面的輻射圖都與偶極子的類似。

圖7 中心頻率在2.5，3.5和5.5 GHz時E面和H面的遠場輻射仿真與測量數(shù)據(jù)Fig.7 Simulated and measured radiation patterns of the proposed antenna at 2.5, 3.5, 5.5 GHz

圖8顯示了雙頻天線在所有工作帶的峰值增益。從圖中可以得出，兩個頻帶的平均峰值增益約為2.03和3.04 dBi，且工作穩(wěn)定。

為了直觀說明本文設(shè)計的雙頻天線的性能，文章選取了參考文獻中幾款天線作為參照進行對比，如表2，可以看出，本文設(shè)計天線具有更小的尺寸和更寬的阻抗帶寬。

圖8 雙頻天線的工作帶增益Fig.8 Peak gains of the proposed dual-band antenna

表2 本文設(shè)計天線與其他天線對比Tab.2 Comparison of the proposed antenna with other reported works

3 結(jié)論

提出了一種應(yīng)用于WLAN和WiMAX的共面波導饋電雙頻天線。通過引入L形槽和T型諧振器，使得天線可以同時工作在兩個頻段。該天線結(jié)構(gòu)簡單，且尺寸只有30 mm×35 mm×1.6 mm。測試結(jié)果表明，該天線覆蓋了所有的WLAN和WiMAX的工作帶寬，非常適用于WLAN和WiMAX等現(xiàn)代無線通信系統(tǒng)。

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（編輯：陳渝生）

CPW-fed dual-band antenna for WLAN/WiMAX application

TANG Xuebin1,2
(1. Jiangsu Internet of things and Manufacturing Information Engineering Research Center, Changzhou 213164, Jiangsu Province, China; 2. Changzhou Institute of Mechatronic Technology, Changzhou 213164, Jiangsu Province, China)

A novel CPW-fed dual-band antenna for WLAN/WiMAX applications was proposed and fabricated, that consists of L-shape slols and T-shape resonantors. Results denote that the impedance bandwidths of the antenna withS11≤-10 dB are 2.38-3.38 GHz and 5.17-5.9 GHz, covering all the WLAN/WiMAX operation bands. In addition, the proposed antenna with a compact size of only 30 mm × 35 mm × 1.6 mm, has moderate gains across all the operation bands. The antenna measured results are in good agreement with simulated ones.

CPW-fed; dual-band antenna; microstrip; WLAN/WiMAX; bandwidth; communication

10.14106/j.cnki.1001-2028.2016.08.015

TN82

:A

:1001-2028（2016）08-0065-04

2016-07-04

湯雪彬（1981-），男，江蘇常州人，講師，碩士，研究方向為通信與信息系統(tǒng)，E-mail:tang_xue_bin@163.com 。

時間：2016-08-03 22:36

： http://www.cnki.net/kcms/detail/51.1241.TN.20160803.2236.015.html