一種L 型多頻帶WLAN、WiMAX 的微型天線

魏東來，南雪莉，夏 鵬

（1.山西大學(xué)數(shù)學(xué)科學(xué)學(xué)院，山西太原 030006；2.山西大學(xué)自動(dòng)化與軟件學(xué)院，山西太原 030006）

在現(xiàn)代無(wú)線通信系統(tǒng)中，多頻段天線對(duì)滿足無(wú)線業(yè)務(wù)需求起著非常重要的作用[1]。微帶天線結(jié)構(gòu)簡(jiǎn)單、體積小、質(zhì)量輕，已經(jīng)被廣泛應(yīng)用到無(wú)線通信中[2]。而用于無(wú)線局域網(wǎng)絡(luò)(WLAN)和全球微波互聯(lián)接入(WiMAX)無(wú)線系統(tǒng)的多頻天線是近年來研究的熱點(diǎn)[3]。根據(jù)IEEE 的標(biāo)準(zhǔn)，WLAN 的2.4G 頻段主要分布在2.4～2.483 5 GHz，5G 頻段主要分布在5.030～5.835 GHz；對(duì)于WiMAX 主要集中在2.5 GHz、3.5 GHz 和5.5 GHz 的頻段[4]。為了實(shí)現(xiàn)這些標(biāo)準(zhǔn)，許多國(guó)內(nèi)外學(xué)者進(jìn)行了研究，設(shè)計(jì)了不同的天線，取得了一定的成果[5-9]，不過有的天線還需要改進(jìn)。微帶天線的缺點(diǎn)是帶寬窄，制約著其在這些領(lǐng)域的應(yīng)用[10]，該文采用共面波導(dǎo)的饋電方式，其容易制作，不需要打眼過孔，輻射損耗小，相互之間的串?dāng)_比較小，適合和無(wú)源或者有源的表面貼片元件進(jìn)行串聯(lián)或并聯(lián)[11]。CPW 饋電的平面天線帶寬寬、成本低，易于與射頻前端電路集成[12]。

1 天線結(jié)構(gòu)的設(shè)計(jì)

1.1 共面波導(dǎo)天線

該天線是由一個(gè)開口諧振環(huán)、有限地共面波導(dǎo)接地面、共面波導(dǎo)饋電線和介質(zhì)基板組成。其中，共面波導(dǎo)饋電線上接了一個(gè)L 型枝節(jié)，有限地共面波導(dǎo)接地面進(jìn)行了開槽縫隙處理。天線整體尺寸為31 mm×31 mm，介質(zhì)基片的相對(duì)介電常數(shù)為εr=4.4，損耗角正切值tanδ=0.02，介質(zhì)基板厚度h=0.8 mm，采用50 Ω 共面波導(dǎo)饋電。共面波導(dǎo)的橫截面如圖1所示，所有導(dǎo)體都在一個(gè)平面內(nèi)，能量在其中以準(zhǔn)TEM 波的方式傳播[13]。

圖1 共面波導(dǎo)的橫截面圖

1.2 多頻共面波導(dǎo)天線結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)

天線的設(shè)計(jì)過程分為三步，分別為最初結(jié)構(gòu)、修改結(jié)構(gòu)和最終結(jié)構(gòu)。每一步的結(jié)構(gòu)分別在前一步的結(jié)構(gòu)上進(jìn)行改進(jìn)，三種天線的結(jié)構(gòu)如圖2 所示。

圖2 三種天線的結(jié)構(gòu)

天線的最初設(shè)計(jì)模型如圖2(a)所示，只有矩形輻射貼片和矩形接地板，電流從饋電端到輻射貼片，輻射頻率只能滿足2.3～4.3 GHz，天線采用共面波導(dǎo)饋電方式，饋電端兩邊的共面接地部分采用不相等大小的結(jié)構(gòu)，還進(jìn)行了開槽縫隙處理，這樣可以改變天線電流的傳播路徑，增加天線的帶寬覆蓋[16]。圖2(b)為修改結(jié)構(gòu)，是在原有結(jié)構(gòu)的矩形輻射貼片上加入L 型枝節(jié)，從天線回波損耗圖中可以看出，天線的低頻諧振點(diǎn)向左移動(dòng)至2.1 GHz 處，同時(shí)由于加入了L型枝節(jié)，激發(fā)了第二個(gè)諧振頻點(diǎn)為4.0 GHz。圖2(c)在修改結(jié)構(gòu)的基礎(chǔ)上，在介質(zhì)基板的上方加入了一個(gè)開口諧振環(huán)，可以在不改變天線尺寸的前提下，激發(fā)第三個(gè)諧振頻點(diǎn)為4.6 GHz，同時(shí)拓寬了天線的頻段帶寬[17-18]。

這三種結(jié)構(gòu)的共面波導(dǎo)饋電天線的仿真S11 曲線對(duì)比如圖3 所示。通過圖3 可以看到，結(jié)構(gòu)1 的回波損耗比較差只有23 dB 左右，所覆蓋的頻段也比較單一，只有2.6 GHz。結(jié)構(gòu)2 相比于結(jié)構(gòu)1，由于輻射貼片上增加了一個(gè)L 型枝節(jié)，進(jìn)而使得該天線增加了一個(gè)諧振點(diǎn)，同時(shí)低頻點(diǎn)回波損耗也變得更好，但是諧振點(diǎn)只有兩個(gè)，5 GHz 附近缺少諧振頻點(diǎn)，仍然不能夠滿足WLAN、WiMAX 頻段工作的要求；結(jié)構(gòu)3在第二個(gè)結(jié)構(gòu)的基礎(chǔ)上，天線介質(zhì)基片上的左邊部分增加了一個(gè)開口諧振環(huán)，使得天線出現(xiàn)了三個(gè)諧振點(diǎn)，同時(shí)回波損耗效果更好。通過對(duì)結(jié)構(gòu)3 天線的仿真和優(yōu)化，可以讓結(jié)構(gòu)3 的天線覆蓋2.4～2.48 GHz、3.4～3.6 GHz 和5.0 GHz 頻段，使得天線可以同時(shí)工作于WLAN 和WiMAX 頻段。通過對(duì)比三種結(jié)構(gòu)天線的回波損耗圖，得出天線的最終結(jié)構(gòu)如圖4所示。

圖3 三種結(jié)構(gòu)的共面波導(dǎo)饋電天線的仿真S11曲線對(duì)比

圖4 天線最終結(jié)構(gòu)

2 天線的仿真與優(yōu)化

通過對(duì)參數(shù)的仿真優(yōu)化，可以得出天線最佳性能參數(shù)。下面分別對(duì)天線的關(guān)鍵參數(shù)L 型枝節(jié)的長(zhǎng)度以及開口諧振環(huán)的環(huán)形長(zhǎng)度的變化進(jìn)行分析，進(jìn)一步探討天線的最佳參數(shù)。

參數(shù)L 型枝節(jié)的長(zhǎng)度變化對(duì)天線回波損耗的影響如圖5 所示，通過圖5 可以得出，隨著L 型枝節(jié)長(zhǎng)度的增加，天線的低頻諧振點(diǎn)沒有發(fā)生轉(zhuǎn)移，回波損耗在逐漸變?。辉?～4 GHz之間的諧振點(diǎn)逐漸發(fā)生了右移，從L型枝節(jié)長(zhǎng)度為18.9 mm所對(duì)應(yīng)的中頻3 GHz逐漸右移到L 型枝節(jié)長(zhǎng)度為23.1 mm 所對(duì)應(yīng)的中頻3.6 GHz；變化較大的高頻諧振點(diǎn)隨著長(zhǎng)度的增加而左移，從L型枝節(jié)長(zhǎng)度為18.9 mm所對(duì)應(yīng)的高頻5 GHz逐漸左移到L 型枝節(jié)長(zhǎng)度為23.1 mm 所對(duì)應(yīng)的高頻4.5 GHz。

圖5 天線的回波損耗隨L型枝節(jié)長(zhǎng)度的變化曲線

當(dāng)開口諧振環(huán)的環(huán)形邊長(zhǎng)發(fā)生變化時(shí)，對(duì)不同長(zhǎng)度的開口諧振環(huán)進(jìn)行仿真，仿真結(jié)果如圖6 所示?？梢钥吹剑_口諧振環(huán)的環(huán)形長(zhǎng)度的增加對(duì)2～3 GHz 頻段和3～4 GHz 頻段的影響較小，主要是影響了4 GHz之后的頻段，說明開口諧振環(huán)主要影響天線高頻段的諧振頻率和回波損耗，而中間3～4 GHz 頻段也受到了影響，證明在組成天線的每個(gè)結(jié)構(gòu)之間，都存在著一定的相互影響。為了能夠更好地覆蓋這些頻段，從中獲得最佳性能，最后選取了L 型枝節(jié)長(zhǎng)度為20.3 mm 和開口諧振環(huán)環(huán)形長(zhǎng)度為22.8 mm 作為最終結(jié)構(gòu)的參數(shù)。

圖6 天線的回波損耗隨開口諧振環(huán)的環(huán)形長(zhǎng)度的變化曲線

表1 為通過仿真優(yōu)化之后的天線最優(yōu)尺寸參數(shù)，其中，L1為天線的長(zhǎng)度和寬度，L2為天線內(nèi)環(huán)切割方形的邊長(zhǎng)，L4為開口諧振環(huán)內(nèi)壁寬度，Ls為開口諧振環(huán)長(zhǎng)度，Ld為輻射片的長(zhǎng)度，Wd為共面波導(dǎo)饋電線上半部分貼片的寬度，W1和W2分別為共面波導(dǎo)接地部分的上半部長(zhǎng)度和中間裁剪的方形邊長(zhǎng)，Ws為饋線下部分的寬度，g為饋線和接地部分的間距。

表1 天線尺寸信息

圖7 為該天線分別在諧振點(diǎn)2.4 GHz、3.5 GHz 和5 GHz處的二維輻射方向圖。由圖7(a)可知，在2.4 GHz頻段時(shí)，天線的E 面大約呈現(xiàn)8 字型對(duì)稱，基本滿足全向性特性，H 面上也基本滿足全向性特性，效果較好；由圖7(b)中可知，在3.5 GHz 頻段上，天線的E 面方向圖和H 面方向圖都表現(xiàn)出了較好的方向性；圖7(c)是在5 GHz 頻段上天線的方向圖，可以得出天線在E 面效果滿足8 字形，符合全向性特性，H 面全向性效果稍差一些，也基本滿足全向性。增益部分5 GHz 頻段增益較好，中間3.5 GHz 頻段的增益較好，但是低頻點(diǎn)2.4 GHz 頻段增益較低，還有待提高。

圖7 天線在2.4/3.5/5 GHz頻段的輻射方向圖

3 結(jié)論

該文基于CPW 饋電方式設(shè)計(jì)了一款L 型枝節(jié)多頻帶，應(yīng)用于WLAN、WiMAX 的微型天線，該天線由加了L 型的枝節(jié)的輻射貼片、開口諧振環(huán)、共面接地部分和介質(zhì)基板組成。通過仿真可以得出，天線可以工作在WLAN（2.4～2.48 GHz）、（5.0～5.15 GHz）和WiMAX（3.4～3.6 GHz）的頻段上，回波損耗可以達(dá)到30 dB，并且?guī)捄芨?，達(dá)到了UWB 效果，增益良好。通過對(duì)貼片添加L 型枝節(jié)和在介質(zhì)基片上添加開口諧振環(huán)，使得天線又激發(fā)了兩個(gè)頻段，擴(kuò)展了帶寬，使得2.0～6 GHz 頻段幾乎全部滿足-10 dB 阻抗帶寬頻段。優(yōu)化后的天線整體輻射性能較好，中低頻段天線的增益較好，但是受到介質(zhì)基片和天線等效面積的影響，低頻段天線的增益相比較差，后續(xù)還需要進(jìn)行優(yōu)化。總體而言，天線性能良好，具有應(yīng)用在WLAN、WiMAX 頻段領(lǐng)域的價(jià)值。