應(yīng)用于WLAN/Wi-Fi/WiMAX系統(tǒng)的小型化雙頻帶平面天線研究

李娜，王海華

(山東理工大學(xué) 電氣與電子工程學(xué)院，山東 淄博 255049)

隨著無(wú)線通信技術(shù)的快速發(fā)展，無(wú)線通訊設(shè)備需要工作在多個(gè)頻帶，這就要求無(wú)線電子設(shè)備的關(guān)鍵部件之一天線能同時(shí)覆蓋多個(gè)頻帶，多頻帶天線可以有效地減少系統(tǒng)內(nèi)天線的數(shù)目，從而降低無(wú)線通信系統(tǒng)的體積和復(fù)雜度，進(jìn)而能夠滿足更多的應(yīng)用需求[1-6]。平面單極子天線因具有體積小、重量輕、容易加工及造價(jià)低廉等優(yōu)點(diǎn)，且易于實(shí)現(xiàn)多頻和寬帶，能夠滿足現(xiàn)代通訊系統(tǒng)對(duì)天線的要求，在現(xiàn)代無(wú)線通信系統(tǒng)中得到了廣泛應(yīng)用[7-11]。為順應(yīng)現(xiàn)代無(wú)線通信系統(tǒng)小型化和集成化的發(fā)展趨勢(shì)，近二十多年來(lái)，研究人員對(duì)小型化多頻帶平面天線研究的方法主要包括：(1)加載諧振單元實(shí)現(xiàn)多帶[12]，即通過(guò)不同的諧振單元產(chǎn)生不同的諧振頻率，從而達(dá)到多頻帶的效果；(2)采用可重構(gòu)天線實(shí)現(xiàn)多帶[13]，即在天線上引入射頻開(kāi)關(guān)，通過(guò)控制開(kāi)關(guān)的通斷來(lái)改變天線的表面電流路徑，進(jìn)而實(shí)現(xiàn)多帶；(3)利用天線的高次模式實(shí)現(xiàn)多帶[14]，即通過(guò)利用天線的高次模式和基模實(shí)現(xiàn)多帶；(4)利用不同的天線形式實(shí)現(xiàn)多帶[15]，即通過(guò)利用不同的天線形式，比如單極子天線和縫隙天線，不同的天線工作于不同的工作頻帶，進(jìn)而實(shí)現(xiàn)多帶。本文在開(kāi)口環(huán)形單極子天線的基礎(chǔ)上，通過(guò)加載借助金屬過(guò)孔與地面相連接的U形枝節(jié)實(shí)現(xiàn)天線的雙頻帶，通過(guò)加載倒T形枝節(jié)以及在地面上刻槽實(shí)現(xiàn)天線的小型化，以有效地展寬天線的阻抗帶寬。

為節(jié)省天線的設(shè)計(jì)成本并精確模擬天線的電磁輻射性能，本文借助電磁仿真軟件CST 微波工作室(CST Microwave Studio)[16]對(duì)天線進(jìn)行仿真。CST Microwave Studio集合了包括時(shí)域有限積分、頻域有限元法和矩量法等多種電磁算法，可對(duì)各類(lèi)天線單元和陣列的特性參數(shù)進(jìn)行仿真分析，包括S參數(shù)、表面電流分布和遠(yuǎn)場(chǎng)輻射特性等在內(nèi)的多項(xiàng)天線指標(biāo)參數(shù)。CST Microwave Studio仿真優(yōu)化及分析方法靈活，仿真結(jié)果準(zhǔn)確，與實(shí)測(cè)結(jié)果吻合度較高，被廣泛應(yīng)用在天線的設(shè)計(jì)及分析工作中。

1 天線結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)

本文所設(shè)計(jì)的天線由微帶饋線、介質(zhì)基板和輻射單元組成。介質(zhì)基板采用介電常數(shù)為2.65，損耗正切為0.02的聚四氟乙烯，厚度為1.6 mm，介質(zhì)基板上表面印制有T形微帶線、開(kāi)口環(huán)形金屬枝節(jié)、T形枝節(jié)以及通過(guò)金屬過(guò)孔與地面相連接的U形金屬枝節(jié)，介質(zhì)基板的下表面印制有在中心及兩端分別刻蝕矩形槽的金屬地面。

天線作為一種能量轉(zhuǎn)換裝置，其饋電端口與傳輸線相連，它可以將傳輸線傳輸過(guò)來(lái)的導(dǎo)行波轉(zhuǎn)換成自由空間中的無(wú)線電波。如果將傳輸線看作饋源，天線就可以看作傳輸線的負(fù)載。天線的輸入阻抗和饋線的特性阻抗并不能做到完全匹配，工程上一般用饋線上的反射系數(shù)來(lái)衡量天線與饋線的匹配程度，反射系數(shù)的定義為[17]

式中：Zin為天線的輸入阻抗；Z0為傳輸線的特性阻抗。一般天線在工作頻段內(nèi)的電壓駐波比能夠滿足實(shí)際的需求。

S11實(shí)際上是特指一個(gè)一端口網(wǎng)絡(luò)的反射系數(shù)Г，其數(shù)值大小反映了天線阻抗匹配的程度，工程上一般約定S11<-10 dB的頻率范圍定義為天線的阻抗帶寬。因此，為了反應(yīng)天線的阻抗匹配程度，本文采用電磁仿真軟件CST對(duì)S11<-10 dB的阻抗帶寬進(jìn)行仿真分析。

天線設(shè)計(jì)過(guò)程如圖1所示，其對(duì)應(yīng)的S11仿真曲線如圖2所示。由圖2可知，天線1只在7.19 GHz處產(chǎn)生了一個(gè)諧振點(diǎn)；天線2在天線1的基礎(chǔ)上加載了與地面通過(guò)金屬過(guò)孔相連接的U形枝節(jié)，相較于天線1，天線2在3.34 GHz處增加了一個(gè)新的諧振點(diǎn)，且原先的諧振點(diǎn)向低頻移動(dòng)，天線2實(shí)現(xiàn)了雙頻段工作；天線3在天線2的基礎(chǔ)上加載了T形枝節(jié)，并且在金屬地面的中心刻蝕矩形槽，實(shí)現(xiàn)了天線小型化以及寬帶化設(shè)計(jì)，天線3的低頻段阻抗帶寬展寬，且兩個(gè)頻段的諧振點(diǎn)向低頻移動(dòng)，進(jìn)而實(shí)現(xiàn)了天線的小型化；天線4在天線3的基礎(chǔ)上，在金屬地面的兩端分別刻蝕兩個(gè)相同的矩形槽，從而達(dá)到展寬高頻阻抗帶寬的作用，相比天線3，天線4的高頻段阻抗帶寬得到展寬，進(jìn)而滿足了天線的寬帶化和小型化。

(a)天線1 (b)天線2

圖2 仿真的反射系數(shù)隨頻率的變化曲線

2 天線仿真分析

天線的結(jié)構(gòu)尺寸對(duì)天線性能有著重要的影響，為了實(shí)現(xiàn)天線的最佳性能，本文利用電磁仿真軟件對(duì)天線的參數(shù)進(jìn)行優(yōu)化，當(dāng)研究其中一個(gè)參數(shù)對(duì)天線性能影響時(shí)，其他參數(shù)取值固定，本文僅對(duì)兩個(gè)影響天線性能的重要參數(shù)L7、L6進(jìn)行仿真優(yōu)化分析。圖3給出了S11隨參數(shù)L7的變化曲線，從圖3可以看出，隨著參數(shù)L7從3 mm變化到5 mm，高頻段的阻抗帶寬逐漸變小，諧振深度先變大再變小，但是隨著參數(shù)L7的增大，使得低頻段中的較高的諧振點(diǎn)先往低頻移動(dòng)再往高頻移動(dòng)，但是L7的變化對(duì)低頻段的阻抗帶寬影響較小。因此，最終選擇L7=4 mm。再看參數(shù)L6，其S11曲線如圖4所示，以1 mm為單位進(jìn)行變化，在L6由7 mm變化到9 mm的過(guò)程中，低頻段的阻抗帶寬逐漸變窄，但諧振深度逐漸增大，高頻段正好相反，L6由7 mm到9 mm過(guò)程中，阻抗帶寬逐漸展寬，諧振深度相應(yīng)地有所減小。綜合考慮，選擇L6=8 mm。

圖4 反射系數(shù)隨參數(shù)L6的變化曲線

借助電磁仿真軟件對(duì)天線的所有參數(shù)進(jìn)行優(yōu)化設(shè)計(jì)，得到天線的最優(yōu)結(jié)構(gòu)尺寸如圖5所示，天線結(jié)構(gòu)的最優(yōu)參數(shù)值見(jiàn)表1。

(a)天線正面

表1 天線結(jié)構(gòu)的最優(yōu)參數(shù)值

天線S11曲線最終優(yōu)化結(jié)果如圖6所示。由圖6可以看出，天線最終仿真結(jié)果滿足S11<-10 dB的工作頻帶為2.10～3.28 GHz和5.18 ～6.42 GHz,且天線尺寸僅有25 mm×22 mm×1.6 mm,改善了以往單極子天線帶寬較窄的問(wèn)題，同時(shí)實(shí)現(xiàn)了天線的小型化；能夠分別覆蓋WLAN的2.4 GHz(2.4～2.484 GHz)和5.8 GHz(5.725～5.825 GHz)、WiMAX的2.5 GHz(2.5～2.69 GHz)和5.5 GHz(5.25～5.85 GHz)以及Wi-Fi的2.4 GHz(2.4～2.485 GHz)和5.5 GHz(5.15～5.85 GHz)的通信頻段。

圖6 天線最終仿真結(jié)果

為了清晰地描述天線的方向性，需要將天線的輻射場(chǎng)強(qiáng)與空間坐標(biāo)用一個(gè)函數(shù)聯(lián)系起來(lái)，這個(gè)函數(shù)被稱(chēng)為方向性函數(shù)。如果將天線放置于坐標(biāo)原點(diǎn)，那么天線在遠(yuǎn)區(qū)球面上的任意方向(θ,φ)的輻射場(chǎng)為

E=A(r)f(θ,φ),

式中:A(r)為距離坐標(biāo)原點(diǎn)r處的幅度因子;f(θ,φ)為方向因子，也稱(chēng)之為方向性函數(shù)?；诜较蛐院瘮?shù)繪制的天線輻射特性和方向之間的關(guān)系圖形被稱(chēng)為天線的方向圖。通常所說(shuō)天線的方向圖是一個(gè)三維立體圖形，對(duì)于線極化天線通常采用兩個(gè)主平面E面和H面來(lái)描述天線的方向性。其中，E面和H面分別是指包含了最大輻射方向與電場(chǎng)矢量和磁場(chǎng)矢量的平面。

借助電磁仿真軟件對(duì)天線的遠(yuǎn)場(chǎng)輻射方向圖進(jìn)行仿真，在2.8 GHz和5.8 GHz時(shí)，天線在ZOY面和XOY面上的遠(yuǎn)場(chǎng)輻射方向圖如圖7所示。由圖7可以看出，在2.8 GHz時(shí)，天線在ZOY面和XOY面兩個(gè)主平面上方向圖呈現(xiàn)出近全向特性，在5.8 GHz時(shí)，天線在XOY面的方向圖也接近全向，在ZOY面天線的輻射方向圖為雙向輻射。

圖7 天線在不同頻點(diǎn)的遠(yuǎn)場(chǎng)輻射方向圖

3 結(jié)束語(yǔ)

文章設(shè)計(jì)了一款小型化雙頻帶平面單極子天線，該天線具有以下優(yōu)勢(shì)：

1)在簡(jiǎn)單的開(kāi)口環(huán)形單極子天線的基礎(chǔ)上，通過(guò)金屬過(guò)孔加載與地面相連接的U形金屬枝節(jié)，進(jìn)而實(shí)現(xiàn)了天線的雙頻帶特性。

2)通過(guò)加載倒T枝節(jié)以及在地面上刻槽實(shí)現(xiàn)了天線的小型化，同時(shí)實(shí)現(xiàn)了天線的寬頻帶特性。

3)該天線結(jié)構(gòu)簡(jiǎn)單、制作成本低，覆蓋了WLAN/Wi-Fi/WiMAX等通信頻帶。

基于以上優(yōu)勢(shì)，該天線能夠很好地滿足現(xiàn)代無(wú)線通信系統(tǒng)對(duì)小型化多頻帶平面天線的需求，具有較大的實(shí)際工程應(yīng)用潛力。