應(yīng)用于WLAN/WiMAX的雙6型對稱三頻單極子天線

張軍+劉建霞

摘 要： 設(shè)計(jì)了一款適應(yīng)于無線局域網(wǎng)絡(luò)（WLAN）和全球微波互聯(lián)接入（WiMAX）的由微帶線饋電的平面印刷三頻單極子天線。天線的正面呈對稱雙6形狀，提供低頻輻射和較寬帶寬的高頻輻射。為了滿足三頻設(shè)計(jì)激勵(lì)起WiMAX所需的中間頻段，在天線背面的接地板上開對稱槽線。利用有限元法的電磁仿真軟件Ansoft HFSS 15.0進(jìn)行仿真設(shè)計(jì)，優(yōu)化結(jié)構(gòu)數(shù)據(jù)并得到天線的最終輻射特性結(jié)果。結(jié)果表明，天線在回波損耗小于-10 dB的工作頻帶分別是2.39～2.72 GHz，3.36～3.86 GHz和4.22～5.83 GHz，很好地實(shí)現(xiàn)了在WLAN和WiMAX的工作頻帶。同時(shí)天線尺寸小、結(jié)構(gòu)簡單、共面性好、容易實(shí)現(xiàn)，而且天線在各個(gè)工作頻段具有良好的方向性和增益。

關(guān)鍵詞： 三頻天線； 單極子天線； 開槽； WLAN； WiMAX； 共面性

中圖分類號： TN822?34 文獻(xiàn)標(biāo)識碼： A 文章編號： 1004?373X（2017）23?0097?04

Abstract： A planographic tri?band monopole antenna fed with microstrip line is designed， which is suitable for the wireless local area network （WLAN） and worldwide interoperability for microwave access （WiMAX）. The front of the antenna presents the symmetrical double?6 shape to provide the high?frequency radiation with relatively?wide bandwidth and low?frequency radiation. In order to satisfy the tri?band design and low?frequency radiation， the middle frequency band required by WiMAX is excited， and the earth plate on the back of the antenna is slotted with the symmetric slot line. The electromagnetic simulation software Ansoft HFSS 15.0 based on finite element method is used to perform the simulation design for the antenna， optimize the structure data， and get the final radiation characteristics results of the antenna. The simulation results show that the antenna works at 2.39～2.72 GHz， 3.36～3.86 GHz and 4.22～5.83 GHz respectively while the return loss is less than -10 dB， and can better work at the frequency bands of WLAN and WiMAX. The antenna has small size， simple structure， good coplanarity， easy realization， and good directivity and gain in each working frequency band.

Keywords： tri?band antenna； monopole antenna； slotting； WLAN； WiMAX； coplanarity

0 引 言

近年來無線通信技術(shù)發(fā)展迅速，隨著無線通信設(shè)備向便攜式、集成化、小型化方向發(fā)展，微帶天線迅速成為人們關(guān)注的熱點(diǎn)。微帶天線具有體積小、成本低、重量輕、低剖面、易于制造，能與載體共面，容易同有源器件和電路集成為單一的模件，易于實(shí)現(xiàn)圓極化、雙極化和多頻段等優(yōu)點(diǎn)。由于無線頻譜資源有限，目前實(shí)現(xiàn)天線的多頻帶設(shè)計(jì)備受關(guān)注，很多文獻(xiàn)也對此作出討論[1?8]。在WLAN/WiMAX領(lǐng)域，文獻(xiàn)[9]通過在圓形貼片上開縫實(shí)現(xiàn)雙頻，但是天線僅工作在WiMAX 2.6 GHz和WLAN 5.8 GHz兩個(gè)頻段；文獻(xiàn)[10]在輻射貼片上開C型和U型縫隙，引入兩個(gè)陷波，實(shí)現(xiàn)了三頻段天線，但尺寸過大；文獻(xiàn)[11]通過在正方形貼片上開半圓形縫隙來實(shí)現(xiàn)天線三頻段；文獻(xiàn)[12]采用了變形的頂加載單極天線結(jié)構(gòu)，通過在非主極化方向上引入多頻諧振支節(jié)，實(shí)現(xiàn)了天線在WLAN/WiMAX三個(gè)工作頻率上的輻射。

本文設(shè)計(jì)了由微帶線饋電地板開縫帶陷波的對稱雙6型三頻平面單極子天線，天線結(jié)構(gòu)簡單，共面性好。天線利用Ansoft HFSS 15.0軟件進(jìn)行仿真優(yōu)化，調(diào)整結(jié)構(gòu)獲得最優(yōu)參數(shù)，仿真結(jié)果良好，實(shí)現(xiàn)天線在WLAN/WiMAX三個(gè)頻率上的滿意效果。該天線在回波損耗小于-10 dB的三個(gè)不同工作頻段分別是2.39～2.72 GHz，3.36～3.86 GHz和4.22～5.83 GHz，在工作頻段內(nèi)輻射特性良好，有較好的增益，工作性能穩(wěn)定。

1 天線設(shè)計(jì)

本文設(shè)計(jì)的天線尺寸為40 mm×35 mm×2 mm，介質(zhì)板材質(zhì)使用Rogers RO4003，其相對介電常數(shù)[εr=3.38，]損耗正切[tanδ=]0.002 7，介質(zhì)層厚度[H]為2 mm。天線正面視圖為對稱的數(shù)字6，主要是由饋電的微帶線和提供適用在高頻和低頻WLAN頻段的單極子組成。饋線寬度為2.75 mm，單極子天線寬度為2 mm，構(gòu)成高頻和低頻極子天線本文采用L型，較長的極子提供低頻，短的提供天線的高頻，二者由饋線連接起來整體構(gòu)成阿拉伯?dāng)?shù)字6。由于彎曲、連接和傳輸時(shí)會產(chǎn)生寄生阻抗從而產(chǎn)生寄生輻射，會導(dǎo)致天線的副瓣電平升高，增益降低，為了降低寄生阻抗的影響，天線極子連接處用切角不用直角。天線的背面接地板上開有對稱的兩條縫隙，在WiMAX頻段形成陷波激勵(lì)。天線正面和背面分別如圖1和圖2所示。endprint

本文首先設(shè)計(jì)產(chǎn)生適應(yīng)在WLAN的高頻和低頻[14]波長單極子天線，所設(shè)計(jì)天線工作于2.45 GHz和5.49 GHz兩個(gè)頻段。波的傳輸既要經(jīng)過自由空間也要經(jīng)過介質(zhì)，因此設(shè)計(jì)的天線實(shí)際波長應(yīng)是介于介質(zhì)的導(dǎo)波長和自由空間的波長之間。具體尺寸由下式可以得出：

式中：c為真空中光速；[fr]為工作頻率；[λg]為介質(zhì)中波長；[εr]為介質(zhì)層介質(zhì)參數(shù)。所以2.45 GHz工作頻率下的[14]波長即[H2]和[L2]之和介于16.6～30.5 mm之間，5.49 GHz工作頻率下[14]波長即[H1]和[L1]之和介于7.5～13.8 mm之間。天線的長度影響工作頻率，在接下來的仿真設(shè)計(jì)中針對天線長度會進(jìn)行優(yōu)化設(shè)計(jì)，選取最合適的結(jié)果。天線背面的接地板尺寸大小對于天線的輻射性能有很大的影響，考慮到天線的全向輻射和地板對天線的帶寬及中心頻率的影響，地板長度小于饋線的長度。其次，為了獲得適應(yīng)在WiMAX頻段的中間頻率，在地板上進(jìn)行開縫設(shè)計(jì)，使得縫隙的短路段相對于微帶饋線形成一個(gè)虛饋點(diǎn)，激勵(lì)起所需頻段，形成陷波，調(diào)節(jié)縫隙的長度、寬度以及與饋線的距離來調(diào)節(jié)天線的輻射性能，找到合適的縫隙參數(shù)達(dá)到設(shè)計(jì)結(jié)果。最后綜合考慮天線設(shè)計(jì)的每個(gè)結(jié)構(gòu)參數(shù)，選取合適的數(shù)值，實(shí)現(xiàn)設(shè)計(jì)要求。

2 天線的仿真結(jié)果與分析

結(jié)合天線設(shè)計(jì)的分析，確定天線設(shè)計(jì)初步參數(shù)，通過仿真軟件HFSS對天線極子和接地板以及縫隙的尺寸的優(yōu)化，最終得到最合適的尺寸參數(shù)數(shù)據(jù)。

2.1 天線極子長度的優(yōu)化

由于兩個(gè)L型單極子分別在低頻段以及高頻段產(chǎn)生諧振，改變[L]的長度可以調(diào)節(jié)天線的諧振頻率。當(dāng)[H1]分別取4 mm，4.6 mm，5.2 mm，其他的設(shè)計(jì)參數(shù)不變，如圖3所示。

從圖3可以看出，[H1]對高頻諧振頻率影響大，天線回波損耗小于-10 dB帶寬基本不變，增大[H1]會導(dǎo)致高頻諧振向左移動(dòng)，低頻諧振也稍微向左移動(dòng)，但影響不大。同樣，對于影響高頻的另一個(gè)L型，改變參數(shù)[H2]也會改變低頻的諧振頻率，改變趨勢同[H1]對高頻諧振的影響一致，即其他參數(shù)保持不變的情況下，只增大[H2]低頻諧振點(diǎn)也會左移，低頻天線回波損耗小于-10 dB帶寬也基本不變。綜合考慮到設(shè)計(jì)要求所需頻段以及天線設(shè)計(jì)尺寸，暫時(shí)選取[H1]和[H2]的取值分別為4.6 mm和16 mm。

2.2 天線接地板的尺寸的優(yōu)化

本文也討論了接地板尺寸對于天線帶寬和諧振頻率的影響。上述分析過接地板長度不能大于饋線長度，分別取接地板長度為11 mm，12 mm，13 mm和14 mm，觀察其對天線性能的影響，從而選取合適參數(shù)，掃描接地板長度仿真結(jié)果如圖4所示。

從圖4可知，在接地板長度從11～13 mm之間，接地板長度越長，高頻諧振頻率段天線回波損耗小于-10 dB帶寬也會越來越大，并且低頻諧振頻率向左移動(dòng)，低頻諧振頻率段-10 dB帶寬隨之減小，而且可以很明顯地看出低頻段的回波損耗數(shù)值越來越小，天線低頻輻射性能越來越好。但是當(dāng)接地板長度繼續(xù)增大到14 mm時(shí)，天線高頻諧振頻率段天線回波損耗小于-10 dB帶寬反而減小了，而且低頻諧振頻率段的回波損耗數(shù)值明顯增大，導(dǎo)致天線低頻輻射性能明顯變壞。當(dāng)接地板長度取11 mm時(shí)，高頻諧振頻率段帶寬最小不能覆蓋WLAN 5.8 GHz，另外，低頻段的回波損耗數(shù)值較大，輻射性能不好；當(dāng)接地板尺寸取12 mm時(shí)，較之[L_GND]取13 mm，明顯高頻段帶寬變窄，勉強(qiáng)達(dá)到WLAN的高頻輻射頻段，而低頻段諧振頻率帶寬又過大，會導(dǎo)致干擾過大，而且其回波損耗數(shù)值也較大，低頻段輻射性能較差；當(dāng)接地板長度取14 mm時(shí)，低頻段的回波損耗數(shù)值較大，輻射性能不好。

所以綜合考慮到帶寬、諧振頻率和輻射性能的好壞，最后選取[L_GND=13 ]mm，結(jié)合上述分析，最后得到天線3個(gè)主要參數(shù)分別選取[H1=]4.6 mm，[H2=]16 mm，[L_GND=]13 mm，在低頻段-10 dB帶寬為2.4～2.72 GHz，覆蓋了WLAN 2.4 GHz所需頻段，回波損耗最小值為-26.16 dB，高頻段-10 dB帶寬為4～5.9 GHz，涵蓋了IEEE 802.11b標(biāo)準(zhǔn)規(guī)定的WLAN工作頻段5.150 5～5.350 GHz，5.475～5.725 GHz，5.725～5.825 GHz，并且在WLAN工作頻段內(nèi)回波損耗數(shù)值較低，基本在-15 dB以下，輻射性能好。

2.2.1 接地板縫隙尺寸的優(yōu)化

在保持其他參數(shù)不變的情況下，掃描較遠(yuǎn)縫隙的寬度[Ws1，]變化范圍為0.35～0.65 mm，獲得天線回波損耗的變化如圖5所示。

從圖5可以看出縫隙寬度對于WLAN低頻段諧振頻率和回波損耗幾乎沒有什么影響，但是在WLAN高頻段，當(dāng)縫隙寬度[Ws1]從0.45 mm增大到0.65 mm，天線諧振頻率向左移動(dòng)，回波損耗數(shù)值也越來越小，輻射性能變好，天線回波損耗小于-10 dB帶寬變化不大，其中當(dāng)[Ws1=]0.55 mm時(shí)，回波損耗小于-10 dB帶寬最大達(dá)到5.83 GHz。變化最大的還是由此激勵(lì)起的中間WiMAX頻段，縫隙寬度影響了中間高頻陷波，從而改善了WiMAX頻段的帶寬和回波損耗。隨著縫隙寬度的增大，中間高頻陷波的中心頻率也增大向右移動(dòng)，并且陷波頻帶在減小，但是當(dāng)縫隙寬度從0.55 mm增大到0.65 mm后，陷波中心頻率迅速向左端減小，并且陷波帶寬也迅速增大，覆蓋了WiMAX所需要的工作頻段。而對于WiMAX工作頻段，隨著縫隙的增大，天線的回波損耗逐漸減小輻射性能逐漸變好，最重要的是-10 dB帶寬也迅速增大，完美地覆蓋了WiMAX工作頻段，但是同樣的當(dāng)縫隙寬度從0.55 mm增大到0.65 mm后，諧振頻率迅速向左移動(dòng)，-1 dB帶寬也快速減小從而錯(cuò)過所需頻段。另外，天線回波損耗數(shù)值也減小了很多，導(dǎo)致天線的輻射性能快速變差。根據(jù)上面的分析，當(dāng)縫隙寬度選擇0.55 mm時(shí)，既很好地實(shí)現(xiàn)了激勵(lì)起中間WiMAX頻段的要求，同時(shí)也照顧到了WLAN頻段天線性能。endprint

2.2.2 縫隙到接地板中心的距離的優(yōu)化

圖6為保持其他參數(shù)不變的情況下，改變較遠(yuǎn)距離的縫隙與中心的間距[T1]對天線性能的影響，縫隙與中心間距[T1]從13～16 mm范圍內(nèi)變化，間距為1 mm。從圖7可以得到，縫隙與中心間距[T1]的變化對WLAN低頻的諧振頻率、帶寬和回波損耗基本影響不大，都實(shí)現(xiàn)了WLAN低頻段的設(shè)計(jì)要求。對于WLAN高頻段，天線的諧振頻率基本上是隨著距離的增大向左移動(dòng)呈減小的變化趨勢，而回波損耗小于-10 dB帶寬基本變化不大，基本都覆蓋了WLAN高頻所需要的頻段，而且WLAN高頻段內(nèi)回波損耗數(shù)值都較小，輻射性能都很好。對于WiMAX工作頻段，縫隙與中心間距[T1]的變化影響很大。當(dāng)[T1]從13 mm增大到15 mm，與縫隙寬度對中間高頻陷波影響一樣，間距[T1]的增大也導(dǎo)致了陷波頻率向右移動(dòng)逐漸增大，回波損耗也逐漸變小，改善輻射性能，陷波帶寬也逐漸增大。與此同時(shí)，設(shè)計(jì)所需的WiMAX工作頻段也隨之向右移動(dòng)，并且回波損耗小于-10 dB帶寬也逐漸減小，當(dāng)[T1=]15 mm時(shí)，帶寬增大到設(shè)計(jì)要求的WiMAX頻帶寬度，回波損耗最小值達(dá)到-20 dB以下，輻射特性優(yōu)異。但是當(dāng)[T1]繼續(xù)增大到16 mm時(shí)，諧振頻率向左減小，帶寬也減小了很多，無法覆蓋所需WiMAX頻段。所以最后選擇[T1=]15 mm能很好地完成設(shè)計(jì)要求。

HFSS最終仿真結(jié)果，天線回波損耗如圖7所示，回波損耗小于-10 dB工作頻段分別是2.39～2.72 GHz，3.36～3.86 GHz和4.22～5.83 GHz，覆蓋了WLAN低頻段和高頻段的所有頻率范圍，而且回波損耗數(shù)值較小，輻射特性良好。

3 結(jié) 語

本文設(shè)計(jì)了一款由微帶線饋電的雙6型對稱三頻單極子天線。首先設(shè)計(jì)了天線正面的對稱單極子天線實(shí)現(xiàn)WLAN雙頻，接著在接地板實(shí)行開槽設(shè)計(jì)，激勵(lì)WiMAX 頻段達(dá)到WLAN/WiMAX的三頻設(shè)計(jì)要求。經(jīng)過電磁仿真軟件HFSS 15.0進(jìn)行仿真設(shè)計(jì)優(yōu)化參數(shù)，最終獲得滿足設(shè)計(jì)要求的天線模型。天線回波損耗小于10 dB頻段分別是2.39～2.72 GHz，3.36～3.86 GHz和4.22～5.83 GHz，覆蓋了WLAN和WiMAX需要的全部頻段，適應(yīng)于WLAN和WiMAX等無線通信系統(tǒng)。該設(shè)計(jì)結(jié)構(gòu)簡單，容易實(shí)現(xiàn)，輻射特性良好，具有一定的可應(yīng)用性。

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