一種新穎的雙頻微帶天線設(shè)計(jì)

趙歡歡，姚愛琴，孫運(yùn)強(qiáng)

(中北大學(xué) 儀器科學(xué)與動(dòng)態(tài)測(cè)試教育部重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室，山西 太原 030051 )

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一種新穎的雙頻微帶天線設(shè)計(jì)

趙歡歡，姚愛琴，孫運(yùn)強(qiáng)

(中北大學(xué) 儀器科學(xué)與動(dòng)態(tài)測(cè)試教育部重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室，山西 太原 030051 )

摘要：為了滿足WLAN和WiMAX雙頻無線通信，設(shè)計(jì)了一種結(jié)構(gòu)簡(jiǎn)單的1/5雙頻微帶貼片天線，該天線采用50 Ω微帶線饋電，集總端口激勵(lì)方式。通過HFSS13.0仿真分析，天線可同時(shí)工作于WiMAX(5.25 GHz)和WLAN(2.45 GHz)頻段。仿真結(jié)果顯示，優(yōu)化后的天線在2.45 GHz和5.25 GHz頻段的相對(duì)帶寬分別為10%和22%,最大增益分別為2.33 dB和3.10 dB。帶寬滿足微帶天線帶寬的要求，且天線的輻射特性良好，結(jié)構(gòu)簡(jiǎn)單,易于生產(chǎn)，有很大的應(yīng)用前景。

關(guān)鍵詞：雙頻微帶天線；帶寬；仿真

0引言

隨著無線通信技術(shù)的快速發(fā)展，產(chǎn)生了多種通信協(xié)議。其中無線局域網(wǎng)(WLAN)是基于IEEE802.11b/g標(biāo)準(zhǔn)(2.4～2.484 GHz)和802.11a(5.15～5.35 GHz,5.725～5.875 GHz)的計(jì)算機(jī)局域網(wǎng)，被廣泛應(yīng)用于各種無線通信網(wǎng)絡(luò)中。而WiMAX(Worldwide Interoperability for Microwave Access),即全球微波互聯(lián)接入是基于IEEE802.16標(biāo)準(zhǔn)(2～66 GHz),主要工作在2.5 GHz頻段(2.50～2.69 GHz)，3.5 GHz頻段(3.40～3.69 GHz)和5.5 GHz頻段(5.25～5.85 GHz)。WiMAX可以為高速數(shù)據(jù)應(yīng)用提供更出色的移動(dòng)性。

隨著人們對(duì)通信質(zhì)量和通信設(shè)備的集成要求不斷增強(qiáng)。作為通信設(shè)備子部件，天線也需要更高的性能以滿足通信系統(tǒng)的需要。微帶天線有著體積小、重量輕、低剖面、制作簡(jiǎn)單、易于共形、易于集成、便于實(shí)現(xiàn)極化和雙多頻等多種特點(diǎn)[1-3]，已得到廣泛的關(guān)注和應(yīng)用。小型化寬頻帶和多頻帶微帶天線已成為一種發(fā)展趨勢(shì)。

微帶天線[4]實(shí)現(xiàn)雙頻工作的方法有很多，根據(jù)不同的尺寸及性能要求，實(shí)現(xiàn)雙頻工作的方法也不盡相同。一般實(shí)現(xiàn)雙多頻共作的方式[5]有：多層貼片[6]、多模正交[7]、縫隙加載和加載集總元件等。文獻(xiàn)[8]采用彎折開槽縫隙加載結(jié)構(gòu)的微帶天線實(shí)現(xiàn) DCS和 WLAN 的雙頻工作特性，文獻(xiàn)[9]提出了應(yīng)用與WLAN及WiMAX的雙頻微帶天線，輻射特性良好，但尺寸偏大，文獻(xiàn)[10,11]是采用樹狀分形的方法設(shè)計(jì)性能良好的雙頻天線。

本文提出一種變形的微帶貼片天線，采用50 Ω 微帶線饋電，使用集總端口激勵(lì)的方式，通過Ansoft的HFSS軟件仿真分析，天線可同時(shí)工作在WLAN(2.45 GHz)和WiMAX(5.15 GHz)。優(yōu)化后的天線在2.45 GHz和5.25 GHz頻段的相對(duì)帶寬分別為10%和22%，帶寬滿足微帶天線帶寬的要求，且天線結(jié)果相對(duì)簡(jiǎn)單，輻射性能良好。

1天線結(jié)構(gòu)與設(shè)計(jì)

天線結(jié)構(gòu)如圖1所示，包括介質(zhì)層、微帶饋線、參考地和貼片1/5部分。介質(zhì)層的材質(zhì)使用的是Rogers RO4003,其相對(duì)介電常數(shù)為εr=3.38，損耗正切tanδ=0.002 7，介質(zhì)層厚度為1.52 mm。介質(zhì)層的下表面是天線的參考地，上表面為微帶饋線和天線。

圖1　天線結(jié)構(gòu)示意圖

由于天線的諧振頻率與天線尺寸有很大關(guān)系，通過調(diào)整矩形貼片的設(shè)計(jì)參數(shù)達(dá)到調(diào)整諧振頻率的目的。輻射貼片尺寸與諧振頻率的關(guān)系如下:

(1)

輻射單元長(zhǎng)度：

(2)

有效介電常數(shù)

(3)

上述公式在沒有改變形狀的矩形輻射貼片中近似成立，只能作為天線設(shè)計(jì)的初值。而輻射貼片的尺寸大小需要通過仿真分析來確定。通過電磁仿真軟件 HFSS 13.0 對(duì)天線建模仿真，對(duì)各個(gè)參數(shù)進(jìn)行優(yōu)化分析，最終確定天線性能較好的一組參數(shù)值，天線參數(shù)如表1所示。

表1　天線參數(shù)尺寸/mm

2天線的仿真與優(yōu)化

HFSS - High Frequency Structure Simulator,是Ansoft 公司推出的三維電磁仿真軟件,是世界上第一個(gè)商業(yè)化的三維結(jié)構(gòu)電磁場(chǎng)仿真軟件，業(yè)界公認(rèn)的三維電磁場(chǎng)設(shè)計(jì)和分析的工業(yè)標(biāo)準(zhǔn)。HFSS能夠快速精確地計(jì)算各種射頻/微波部件的電磁特性，得到S參數(shù)、傳播特性、高功率擊穿特性和優(yōu)化部件的性能指標(biāo)，并進(jìn)行容差分析。

圖2是通過HFSS13.0仿真分析的天線S11結(jié)果圖，在其他參數(shù)不變的情況下，改變矩形輻射貼片L2的尺寸，從圖中可以看出回波損耗S11的變化情況。當(dāng)L2增加時(shí)，天線的高頻諧振點(diǎn)逐漸變大，而f=2.45 GHz低頻諧振點(diǎn)基本不變。這說明矩形貼片的長(zhǎng)度對(duì)高頻諧振點(diǎn)有很大影響，而對(duì)低頻諧振點(diǎn)基本不影響，但會(huì)影響整個(gè)天線的性能。也就是說，選擇合適的L2的值，可以有效改變天線特性，使天線具有更好的雙頻特性。

圖2　L2值對(duì)回波損耗S11的影響

從圖3可以看出，天線有f1=2.45 GHz和f2=5.25 GHz兩個(gè)諧振點(diǎn)。低諧振點(diǎn)時(shí)，最低回波損耗為-13 dB，天線<-10 dB的頻帶寬度為2.35～2.46 GHz，相對(duì)帶寬為10%；高諧振點(diǎn)時(shí)，最低回波損耗為-26 dB，<-10 dB的頻帶寬度為4.62～5.78 GHz，相對(duì)帶寬為22%。由此可看出，選擇L2=6.5 mm，可保證天線具有良好的雙頻特性。

圖3　L2=6.5 mm時(shí)，S11的掃頻結(jié)果

天線在2.45 GHz和5.25 GHz處的輻射方向圖如圖4(a)和(b)所示，可以看出天線工作在2.45 GHz時(shí)x-z面和y-z面方向圖為雙向的。而工作在5.25 GHz時(shí)，x-z面為雙向的，y-z面方向圖接近于全向，天線在高頻處時(shí)方向圖具有全向性。

圖4　2種不同頻率時(shí)天線在xz和yz截面上的增益方向圖

3結(jié)束語

提出了一種新穎的雙頻微帶貼片天線，在保證天線尺寸的情況下，通過改變輻射貼片的形狀，使之諧振頻率發(fā)生改變，同時(shí)采用50 Ω 微帶線饋電，集總端口的激勵(lì)方式實(shí)現(xiàn)。通過HFSS13.0仿真優(yōu)化，可看出不同尺寸對(duì)天線諧振頻率的影響，分析得到天線最佳尺寸及形狀，從而得出天線可同時(shí)工作于WiMAX(5.25 GHz)和WLAN(2.45 GHz)頻段，相對(duì)帶寬分別為22%和10%，增益約為3.1 dB。關(guān)鍵指標(biāo)基本滿足微帶天線的設(shè)計(jì)要求，且天線結(jié)構(gòu)簡(jiǎn)單，體積較小，具有良好的使用價(jià)值。

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Design of a Novel Dual-band Microstrip Antenna

ZHAO Huan-huan,YAO Ai-qin,SUN Yun-qiang

(Key Laboratory of Instrumentation Science and Dynamic Measurement of Ministry of Education,North University of China,Taiyuan Shanxi 030051,China)

Abstract：In order to meet the requirement of dual-band wireless communication of WLAN and WiMAX,a 1/5 dual-frequency microstrip patch antenna with simple structure is designed,which uses 50 Ω microstrip line feeding and lumped port incentives.Through HFSS13.0 simulation and analysis,it shows that the antenna can operate in WiMAX(5.25 GHz)and WLAN(2.45 GHz)bands simultaneously.The simulation results show that the relative bandwidths of the optimized antenna at 2.45 GHz and 5.25 GHz are 10% and 22% respectively.The maximum gains are 2.33 dB and 3.10 dB respectively.The bandwidth meets the requirement of the microstrip antenna,the antenna's radiation characteristic is good,and the structure is simple and easy for production.So it has a great prospect of application.

Key words：dual-frequency microstrip antenna;bandwidth;simulation

中圖分類號(hào)：TN82

文獻(xiàn)標(biāo)識(shí)碼：A

文章編號(hào)：1003-3114(2016)02-63-3

作者簡(jiǎn)介：趙歡歡(1990—)，女，碩士研究生，主要研究方向:通信與信息系統(tǒng)。姚愛琴(1969—)，女，博士，副教授，主要研究方向:測(cè)試技術(shù)及微波技術(shù)。孫運(yùn)強(qiáng)(1963—),男，博士，教授，主要研究方向:測(cè)試計(jì)量技術(shù)與儀器。

收稿日期：2015-11-16

doi:10.3969/j.issn.1003-3114.2016.02.16

引用格式：趙歡歡，姚愛琴，孫運(yùn)強(qiáng).一種新穎的雙頻微帶天線設(shè)計(jì)[J].無線電通信技術(shù),2016,42(2):63-65.