面向無線局域網(wǎng)的雙頻圓極化印刷天線研究

王聚道，石承鑫，韓榮蒼，孫如英

(臨沂大學(xué) 物理與電子工程學(xué)院，山東 臨沂 276000)

1 雙頻段圓極化印刷天線廣泛應(yīng)用的需求

圓極化(Circular-Polarization，CP)天線的優(yōu)勢主要體現(xiàn)在：(1)可接收任意極化的來波，且其輻射波也可由任意極化天線接收；(2)在通信、雷達(dá)的極化分集工作和電子對抗等應(yīng)用中，其旋向正交性得到廣泛應(yīng)用；(3)圓極化波入射到對稱目標(biāo)時極化旋向逆轉(zhuǎn)，應(yīng)用于無線通信、衛(wèi)星導(dǎo)航時，能抑制雨霧干擾和抗多徑反射[1]。隨著無線通信技術(shù)的發(fā)展，為了滿足日益增長的移動數(shù)據(jù)需求，面向無線局域網(wǎng)的多頻段技術(shù)應(yīng)運而生。這就需要將不同頻段的相同應(yīng)用集成到一套設(shè)備中，所以，近年來，雙頻段圓極化印刷天線引起廣泛的關(guān)注。

對于平面印刷天線，實現(xiàn)雙頻圓極化的方式有微帶貼片結(jié)構(gòu)[2-3]、單極子結(jié)構(gòu)[4-5]、寬縫隙結(jié)構(gòu)[6-7]3種。雙頻圓極化微帶貼片天線一般采用雙層結(jié)構(gòu)或引入雙頻微擾結(jié)構(gòu)，結(jié)構(gòu)比較緊湊，但每個工作頻段往往帶寬較窄，相對帶寬在1%～5%以內(nèi)。單極子型圓極化印刷天線一般包含兩個不同電尺寸的單極子，二者分別低頻段和高頻段形成了兩個諧振點，實現(xiàn)雙頻工作；這類天線設(shè)計理念簡單，但往往電尺寸較大。寬縫隙型圓極化印刷天線常在饋電結(jié)構(gòu)中加入雙頻諧振結(jié)構(gòu)，天線的性能參數(shù)也可以通過縫隙加微擾調(diào)節(jié)，設(shè)計靈活性強(qiáng)；另外，這類圓極化天線的兩個工作頻段往往可以實現(xiàn)比較理想的工作帶寬。本文面向無線局域網(wǎng)應(yīng)用，設(shè)計了一副雙頻寬帶圓極化印刷天線，能夠覆蓋IEEE 802.11協(xié)議下的主要工作頻段。

2 天線的結(jié)構(gòu)

天線的幾何結(jié)構(gòu)中，介質(zhì)基板選用FR-4，相對介電常數(shù)εrs=4.4，損耗角正切tanδ=0.002，厚度t=1 mm。介質(zhì)上層貼片由上角為L型枝節(jié)、兩個垂直的矩形組成，天線采用偏置的微帶線饋電。L型枝節(jié)和矩形A可以產(chǎn)生低頻段的右旋圓極化(Right-Hand Circular Polarization，RHCP)波，而矩形B和偏饋結(jié)構(gòu)可以產(chǎn)生高頻段的左旋圓極化(Left-Hand Circular Polarization，LHCP)波。天線的幾何結(jié)構(gòu)如圖1所示。介質(zhì)下層地板由一個去心方框構(gòu)成，采用HFSS14.0仿真優(yōu)化后的天線各參數(shù)的值，如表1所示。

圖1 天線幾何結(jié)構(gòu)

表1 天線各參數(shù)的尺寸

3 實驗結(jié)果與分析

天線的阻抗匹配可以通過反射系數(shù)衡量，反射系數(shù)S11的仿真結(jié)果如圖2所示，在1.95～6.5 GHz，S11的值均小于-10 dB，阻抗帶寬達(dá)到113%。

該天線實現(xiàn)了較寬的圓極化軸比帶寬，在兩個頻率附近的3-dB的相對軸比帶寬為51.2%(2.19～3.47 GHz)，22.4%(4.88～6.18 GHz)，體現(xiàn)了較良好的圓極化輻射特性。以上兩個頻段覆蓋所有無線局域網(wǎng)應(yīng)用頻段。天線在兩個頻段的最大增益分別達(dá)到了4.5 dBi(2.9 GHz )和3.0 dBi(5.85 GHz)。軸比和增益仿真結(jié)果如圖3所示。

圖2 S11仿真結(jié)果

圖3 軸比和增益仿真結(jié)果

天線輻射方圖的仿真結(jié)果中，分別畫出了天線在兩個頻率點2.5 GHz，5.5 GHz的xz與yz面的方向圖。結(jié)果顯示，該天線在+z方向上在低頻段可以輻射RHCP波，而在高頻段可以輻射LHCP波。由于電磁波極化的正交性，兩個頻段互不干擾。如圖4—7所示。

圖4 f=2.5 GHz，xz面

圖5 f=2.5 GHz，yz面

圖6 f=5.5 GHz，xz面

圖7 f=5.5 GHz，yz面

4 結(jié)語

本文設(shè)計的雙頻圓極化印刷天線，在2.5 GHz(2.19～3.47 GHz)和5.5 GHz(4.88～6.18 GHz)兩個頻段實現(xiàn)了圓極化工作，并且在最大輻射方向低頻段實現(xiàn)了右旋圓極化，高頻段實現(xiàn)了左旋圓極化，二者不相互干擾。天線阻抗匹配和軸比性能良好，體積較小，在WLAN領(lǐng)域必然具有很大的工程應(yīng)用價值。