張克生
江蘇安全技術職業(yè)學院
近年來,隨著無線通信技術的廣泛應用,小型化、多頻帶天線因其節(jié)省系統(tǒng)空間、減少天線數量而受到越來越多的關注。對于一個無線系統(tǒng)而言,在需要兩個或多個頻帶的情況下訪問多個業(yè)務是有利的。無線局域網(Wireless Local Area Network,WLAN)和全球微波接入互操作(Worldwide Interoperability for Microwave Access,WiMAX)技術廣泛應用于無線通信設備,通常需要雙頻或多頻天線,以適應這些設備的多種需求。為了滿足IEEE 802.11標準中WLAN 2.5/5.2/5.8 GHz和WiMAX 2.6/3.5/5.5 GHz頻段的帶寬要求,該多頻段平面天線同時具有低輪廓和重量、低成本、體積小、易于與其他電路集成和更高的性能,當然需要覆蓋所有這些工作波段的不同標準。
當前已有一些小型化和多頻天線的實現方法。在減小天線尺寸方面,使用彎曲技術和負載電容器或電感。多頻帶天線設計也有不同的實現方式,如蝕刻各種槽,增加多個諧振臂,采用特殊饋電技術。Ali等人介紹了一種用于WLAN應用的小型化雙頻平面印刷天線。通過在矩形輻射貼片上蝕刻一個方形槽來實現天線的小型化,通過加載兩個對稱的l形槽和一對窄縫來獲得天線的雙頻特性。Qian等人報道了3種應用于無線通信的多工作頻段微帶縫隙天線。通過加載具有多個諧振頻率的不同諧振器,天線獲得了不同的多次諧振。通過使用縫隙單極子和復合的右手/左手傳輸結構,提出了一種用于GPS/WLAN/WiMAX應用的非對稱共面波導饋電的四波段天線。El-Kham等人設計了一種采用分形樹結構的多頻帶平面天線。天線的仿真結果表明,通過改變樹形結構的數量可以調節(jié)諧振頻率的數量。
雖然在小型化和多頻段方面已經取得了一些進展,一些天線仍然受到復雜結構的影響,一些天線輻射模式或增益不夠穩(wěn)定的。因此,需要一種結構簡單、輻射特性良好的小型化多頻帶天線,覆蓋所需的WLAN和WiMAX頻段。本文在平面單極子天線工作原理基礎上,采用S型、U型和L型彎曲枝節(jié)分別實現2.5 GHz,3.5 GHz和5.5 GHz三個頻段的諧振,從而實現了小型化、三頻段單極子天線設計。仿真結果表明,所設計天線在該三個頻段具有良好的全向輻射特性,可應用于WLAN/WiMAX移動終端系統(tǒng)中。
天線結構如圖1所示,印制在相對介電常數為4.4、厚度為0.8 mm的FR4基板上,三個枝節(jié)分別工作與三個不同頻段。利用單極子天線工作原理,計算出各個頻段對應的枝節(jié)初始長度。為了縮小天線尺寸,實現小型化,低頻2.5 GHz頻段采用S型彎曲枝節(jié),中頻3.5 GHz頻段采用倒U型彎曲枝節(jié),而高頻5.5 GHz則使用常規(guī)的L型枝節(jié)。
圖1 天線結構
天線的設計過程如圖2所示,對每個頻段對應的枝節(jié)進行單獨仿真分析,得到單頻單極子天線的回波損耗如圖3所示。由圖3可以看出,天線1工作于2.5 GHz頻段,同時在7 GHz處產生諧振;天線2和天線3則分別工作與3.5 GHz和5.5 GHz頻段。不足之處在于低頻和中頻段的工作帶寬有待擴展。
圖2 天線設計過程
圖3 三個單頻天線的回波損耗
通過將三個單頻單極子天線的枝節(jié)連接在一起,從而實現了三頻單極子天線設計,天線結構如圖1所示。為了驗證該天線的工作原理,仿真分析了2.5 GHz,3.5 GHz和5.5 GHz的諧振頻率處輻射枝節(jié)上的面電流分布,其結果如圖4所示。由圖4(a)可以看出,天線工作于2.5 GHz時,表面電流分布在S型枝節(jié)上;圖4(b)則顯示倒U型枝節(jié)產生了3.5 GHz的諧振頻率;圖4(c)則表明5.5 GHz頻帶諧振于L型枝節(jié)。不同工作頻率下面電流分布特征與設計思路十分吻合。
圖4 不同頻率時輻射枝節(jié)上的面電流分布
在以上分析設計和參數掃描基礎上,實現了小型化三頻單極子天線設計,其結構參數分別為:V=40 mm;L=14 mm;L1=4.25 mm;L2=7 mm;T1=8 mm;T2=5 mm;T3=7 mm;R1=16.25 mm;R2=2 mm;R3=6 mm;S=11 mm。天線的回波損耗如圖5所示。由圖可以看出,天線回波損耗在-10 dB以下頻率部分分別為2.46~2.62 GHz,3.38~3.70 GHz,5.16~5.89 GHz。天線在2.5 GHz、3.5 GHz、5.5 GHz中心頻段的帶寬足夠寬,能滿足WLAN/WiMAX系統(tǒng)中移動終端的天線帶寬要求。
圖5 所設計天線的回波損耗
所設計天線在2.5 GHz,3.5 GHz和5.5 GHz頻率處的遠場輻射方向圖如圖6所示,由圖可知,頻率為2.5 GHz時,天線的輻射方向圖在E面近似圓形,而在H面為啞鈴狀;頻率為3.5 GHz和5.5 GHz時,天線的輻射方向圖在H面接近圓形,在E面為啞鈴狀,均表現出良好的全向輻射特性,能較好地滿足移動終端天線的通信需求。
圖6 天線的輻射方向
在單極子天線工作原理基礎上,利用S型、U型和L型彎曲枝節(jié)分別諧振于2.5 GHz,3.5 GHz和5.5 GHz三個頻段,實現小型化。仿真研究了不同頻率處輻射枝節(jié)上的面電流分布,其分布特征與設計思路非常吻合。仿真分析了天線的工作頻帶和遠場輻射方向圖,結果表明,所設計天線能較好地諧振于2.5 GHz,3.5 GHz,5.5 GHz三個頻段,且均能形成全向輻射特性,符合WLAN和WiMAX系統(tǒng)中天線的帶寬和方向圖覆蓋要求,且具有結構簡單的特點,可應用于移動終端系統(tǒng)中。