應(yīng)用于WLAN/WIMAX的寬頻帶單極子天線

劉 敏， 張斌珍， 段俊萍， 王 穎

(中北大學 儀器科學與動態(tài)測試教育部重點實驗室， 山西 太原 030051)

應(yīng)用于WLAN/WIMAX的寬頻帶單極子天線

劉 敏， 張斌珍， 段俊萍， 王 穎

(中北大學 儀器科學與動態(tài)測試教育部重點實驗室， 山西 太原 030051)

針對應(yīng)用于WLAN/WIMAX的雙頻和三頻天線， 通過構(gòu)造6/9形輻射貼片和接地板開槽的方式， 本文設(shè)計了一款結(jié)構(gòu)簡單的6/9形寬頻帶單極子天線. 仿真結(jié)果表明： 天線低頻的相對帶寬為14.8%(2.36～2.73 GHz)， 高頻的相對帶寬為52.8%(3.463～5.944 GHz). 天線可同時接受WLAN(2.5/5.2/5.8 GHz) 和WIMAX(3.5/5.5 GHz)等多個頻率. 在整個工作頻帶內(nèi)天線的電壓駐波比小于2. 實測結(jié)果表明， 加工的天線低頻的諧振頻率為2.58 GHz， 工作帶寬為2.33～2.9GHz， 相對帶寬為22.1%(是仿真天線的1.46倍)； 高頻的諧振頻率為4.705 GHz， 工作帶寬為3.45～5.96 GHz， 相對帶寬為53.4% (是仿真天線的1.06倍)， 加工的天線比仿真模型的頻段更寬. 實現(xiàn)了一個結(jié)構(gòu)簡單且易于加工的天線設(shè)計， 可以很好地接受WLAN/WIMAX的多個頻率， 且有較好的輻射特性， 提高了天線的性能.

WLAN/WIMAX； 寬頻帶； 單極子天線； 微帶饋電； 縫隙天線

Abstract: For dual-frequency and tri-frequency antennas applied to WLAN/WIMAX, by constructing a 6/9 radiation patch and sloting the ground plane , this paper designs a simple 6/9 broadband monopole antenna. Simulation results show that the relative bandwidth of low frequency of antenna is 14.8%(2.36～2.73 GHz), and the relative bandwidth of high frequency of antenna is 52.8%(3.463～5.944 GHz). Antenna can simultaneously accept multiple frequencies of WLAN(2.5/5.2 /5.8 GHz)and WIMAX(3.5/5.5 GHz). The voltage standing ratio of the antenna is less than 2 in the whole working band. The measured results show that the low-frequency resonant frequency of the designed antenna is 2.58 GHz, the working bandwidth is 2.33～2.9 GHz, and the relative bandwidth is 22.1%(which is 1.46 times wider than the simulation antenna), the high-frequency resonant frequency is 4.705 GHz, the working bandwidth is 3.45～5.96 GHz, and the relative bandwidth is 53.4%(which is 1.06 times wider than the simulation antenna). The designed antenna is wider than the frequency band of the simulation model. An antenna with simple structure and easy processing can well accept multiple frequencies of WLAN/WIMAX and have good radiation characteristics, the method of this paper improve the antenna performance.

Keywords: WLAN/WIMAX； broadband ； monopole antenna； microstrip feed； slot antenna

天線作為信號的發(fā)射器和接收器， 其性能的優(yōu)劣直接影響設(shè)備的性能， 再加上人們對小型化及寬帶特性的需求， 希望實現(xiàn)整個系統(tǒng)只需要一個天線就可以正常地工作. 平面單極子天線具有剖面低﹑結(jié)構(gòu)簡單﹑易于加工﹑成本低等優(yōu)點， 很多學者已對平面單極子天線進行了大量的研究[1-3]. 有一種倒 L型平面單極子天線[4-7]， 仿真上已經(jīng)滿足IEEE802.11a/b/g的標準要求， 其設(shè)計簡單， 在滿足帶寬要求的基礎(chǔ)上其體積可以更小. 人們相繼研制出一種共面波導(dǎo)饋電的倒L-U型單極子天線[8,9]， 其設(shè)計可以覆蓋WLAN的2.4， 5.2， 5.8GHz 3個頻帶的天線， 仿真與測試結(jié)果表明天線在WLAN的頻段范圍內(nèi)均有良好的阻抗特性與輻射特性. 可應(yīng)用于WLAN和WIMAX的開雙L形槽的單極子天線[10,11]以及WLAN的雙頻單極子天線[12-14]. 有一種U型和L型的縫隙多頻天線[15]可以工作在3個頻帶， 可以應(yīng)用于WLAN和WIMAX系統(tǒng)中， 但該天線為定向輻射天線， 根據(jù)天線的特性， 人們在不斷地研究中對天線進行了一系列的改進， 包括利用共面波導(dǎo)饋電[16,17]， 多層結(jié)構(gòu)[18]， 縫隙加載技術(shù)[19]來實現(xiàn)帶寬增加和天線尺寸的減小.

本文設(shè)計了一款6/9形寬頻微帶饋電的平面單極子天線， 該天線可以同時工作于WLAN(2.5/5.2/5.8 GHz)和WIMAX(3.5/5.5 GHz)等多個頻率的寬頻帶單極子天線， 使天線能更好地工作. 使用仿真軟件對天線的各個參數(shù)進行優(yōu)化， 使該天線在WLAN(2.5/5.2 /5.8 GHz)和WIMAX(3.5/5.5 GHz)的頻帶范圍內(nèi)具有良好的阻抗匹配和輻射特性.

1 天線結(jié)構(gòu)設(shè)計

圖 1 設(shè)計天線的結(jié)構(gòu)示意圖Fig.1 Schematic diagram of the designed antenna

2 天線的優(yōu)化與分析

相同尺寸的接地板未刻蝕縫隙的單極子天線作為對比的參考， 接地板未刻蝕縫隙的單極子天線與設(shè)計的天線都是中心微帶線饋電. 圖 2 給出了接地板未刻蝕縫隙的單極子天線(a=0 mm)與設(shè)計天線(a=3mm)的S11仿真曲線. 從曲線中可以看出a=0 mm時-10 dB的低頻的中心頻率為2.56 GHz， 工作帶寬為2.38～2.78 GHz， 相對帶寬為15.6%， 高頻的中心頻率為4.875 GHz， 工作帶寬為3.69～6.06 GHz， 相對帶寬為48.6%；a=3 mm時-10 dB的低頻的中心頻率為2.52 GHz， 工作帶寬為2.35～2.73 GHz， 相對帶寬為15.1%， 高頻的中心頻率為4.695 GHz， 工作帶寬為3.51～GHz， 相對帶寬為50.5%； 低頻的諧振頻率稍微左移， 高頻的帶寬增大了1.04倍， 且高頻的諧振深度加深.

圖 3 中給出了優(yōu)化后天線的電壓駐波比頻率特性圖， 可以看出VSWR<2的低頻的頻率范圍為2.34～2.75 GHz， 高頻的頻率范圍為3.46～5.95 GHz， 即在工作頻段范圍內(nèi)天線的電壓駐波比小于2， 天線可以有效地工作.

圖 2 有不同縫隙寬度的設(shè)計天線的回波損耗頻率特性圖Fig.2 Frequency characteristics of the return loss of the designed antenna with different gap widths

圖 3 天線的電壓駐波比頻率特性圖Fig.3 Frequency characteristic of voltage standing wave ratio of the designed antenna

圖 4 天線在不同頻率時的電流分布仿真結(jié)果圖Fig.4 Simulation results of the current distribution of the designed antenna at different frequencies

圖 5 不同的l1值對天線性能的影響Fig.5 The influence of different l1 values on antenna performance

為了更直觀地看到輻射貼片的不同長度對同各頻率的影響， 首先從天線的電路分布圖分析、 調(diào)節(jié)天線的性能. 從圖 4(a) 中可以看出： 在2.5 GHz時電流主要沿著微帶線、l3，w3，l7，w7邊分布， 這是因為2.5 GHz時的諧振頻率主要取決于微帶線、l3，w3，l7，w7邊； 從圖4(b)中可以看出， 5.2 GHz處電流沿著微帶線和l2邊緣分布， 其他邊上只有很少量的電流分布， 故微帶線和l2的尺寸主要影響5.2 GHz 頻率的特性； 其他邊對5.2 GHz時的頻率影響較?。?在圖4(c)中， 5.5 GHz時電流主要分布在微帶線、l2，w2，l3，w3邊上， 故他們的長度決定5.5 GHz頻率的特性； 從圖4(d)中可以看出： 5.8 GHz 處電流主要分布在微帶線、l2，w2，l3，w3，l4，l5，w5，l6，w6，l7，w7，l8邊， 因此他們的長度決定5.8 GHz頻率的特性.

通過電流分布圖分析得到微帶線的長度l1、 寬度w1及l(fā)2變化對各頻率處影響都很大， 故在這里討論他們尺寸的變化對天線性能的影響. 當w2=4 mm，l2=13 mm時， 微帶傳輸線l1長度的變化對各頻率處的影響如圖 5 所示， 從圖 5 中可知隨著微帶傳輸線l1由17 mm增加到19 mm， 天線的S11低頻諧振頻率稍微左移， 諧振深度加深； 中間諧振頻率稍微右移， 諧振深度逐漸加深； 高頻諧振諧振深度加深. 由此可知， 微帶線的長度l1主要影響天線的低頻諧振深度、 中間諧振頻率、 諧振深度和高頻諧振深度. 為了使低頻在2.5 GHz處產(chǎn)生共振， 高頻的S11<-10 dB. 所以微帶線的長度l1選擇19 mm.

當l1=19 mm，l3=13 mm， 微帶線的寬度w1由3.8 mm增加到4.1 mm時， 對天線S11的低頻諧振頻率影響??； 中間諧振頻率逐漸右移； 高頻諧振深度變淺. 由此可知微帶線的寬度w1主要影響天線的中間諧振頻率和高頻諧振深度. 如圖 6 所示， 為了使天線在2.5 GHz處產(chǎn)生共振， 使S11<-10 dB， 所以微帶線的寬度w1選擇4 mm.

當l2=19 mm，w2=4 mm時，l2的長度變化對各頻率的影響如圖 7 所示. 當l2的長度由12 mm增加到14 mm時， 天線的低頻諧振頻率和諧振深度基本保持不變； 中間諧振頻率逐漸左移； 高頻諧振頻率逐漸右移， 諧振深度基本保持不變. 由此可知，l2的長度主要影響中間頻率的諧振頻率和高頻的諧振頻率， 基本不影響低頻諧振頻率和諧振深度. 為了滿足設(shè)計要求與微帶線相連的l2的長度選擇13 mm.

圖 6 不同的w1值對天線性能的影響Fig.6 The influence of different w1 values on antenna performance

圖 7 不同的l2值對天線的影響Fig.7 The influence of different l2 values on antenna performance

為了更直觀地看設(shè)計天線的輻射方向圖， 圖 8 給出了該天線在2.5 GHz， 3.5 GHz， 5.2 GHz， 5.5 GHz， 5.8 GHz頻率時E面和H面的方向圖. 可以看出天線在各頻率處有近似于全向輻射的方向圖， 該天線在2.5 GHz時的最大增益可達到2.33 dB， 5.2 GHz時的最大增益可達到3.75 dB， 5.5 GHz時的最大增益可達到4.05 dB， 5.8 GHz時的最大增益可達到4.46 dB.

圖 8 天線在不同頻率時的2D方向圖Fig.8 The 2D pattern of the designed antenna at different frequencies

3 天線的測試與結(jié)果

為了證實仿真結(jié)果， 加工制備了該天線實物樣片， 天線的整體尺寸為37 mm*28 mm， 如圖 9 所示. 使用安捷倫網(wǎng)絡(luò)分析儀對天線進行了測試. 圖 10 為S11測試與仿真結(jié)果的對比圖， 可以看出， 加工的天線低頻的諧振頻率為2.58 GHz， 工作帶寬為2.33～2.9 GHz， 相對帶寬為22.1%， 是仿真天線的1.46倍； 高頻的諧振頻率為4.705 GHz， 工作帶寬為3.45～5.96 GHz， 相對帶寬為53.4%， 是仿真天線的1.06倍； 加工的天線比仿真天線的工作頻段更寬. 造成誤差的原因是： 天線表面的氧化、 加工精度的限制、 天線尺寸的誤差、 環(huán)境溫度的影響、 SMA接頭焊接產(chǎn)生的影響等. 天線可以在有效工作帶段內(nèi)很好地工作.

圖 9 加工天線的實物圖Fig.9 Physical diagram of the designed antenna

圖 10 S11的實測與仿真頻率特性對比圖Fig.10 Comparison of measured and simulated frequency characteristics of S11

4 結(jié)束語

本文在WLAN和WIMAX的雙頻﹑三頻微帶天線的基礎(chǔ)上設(shè)計了一種新穎的6/9型寬頻微帶饋電的平面單極子天線， 實驗結(jié)果表明： 相對于雙頻﹑三頻天線， 該天線可以工作于WLAN(2.5/5.2/5.8 GHz) 和WIMAX(3.5/5.5 GHz)的多個頻率， 且具有良好的輻射特性. 通過仿真軟件優(yōu)化天線結(jié)構(gòu)各參數(shù)， 設(shè)計其尺寸為28 mm*37 mm， 設(shè)計的天線尺寸小， 結(jié)構(gòu)簡單， 易于加工. 根據(jù)仿真， 天線-10 dB 低頻的中心頻率為2.52 GHz， 工作帶寬為2.35～2.73 GHz， 相對帶寬為15.1%， 高頻的中心頻率為4.695 GHz， 工作帶寬為3.51～5.88 GHz， 相對帶寬為50.5%； 滿足了WLAN和WIMAX的頻段范圍要求.

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BroadbandMonopoleAntennaAppliedtoWLAN/WIMAX

LIU Min, ZHANG Binzhen, DUAN Junping, WANG Ying

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

1671-7449(2017)05-0410-06

TN822+.8

A

10.3969/j.issn.1671-7449.2017.05.007

2017-01-10

國家自然基金資助項目(51475438、 61401405)； 山西省人社廳留學資助項目(20150603ZX)； 山西省自然科學基金資助項目(2014011021-4)； 聯(lián)合基金重點支持資助項目(U1637212)； 山西省回國留學人員科研資助項目(2014-005)

劉 敏(1990-)， 女， 碩士生， 主要從事天線、 RF MEMS器件與系統(tǒng)等研究.