一種應(yīng)用于WLAN/WiMAX的 三頻雙環(huán)印刷單極子天線

　　隨著近年來無線通信技術(shù)的迅猛發(fā)展，特別是無線局域網(wǎng)(WLAN)和全球微波互聯(lián)接入網(wǎng)絡(luò)(WiMAX)的應(yīng)用，更加要求能夠提供多頻段工作的新型小型化天線，這兩個網(wǎng)絡(luò)系統(tǒng)覆蓋了2.4–2.484/5.15–5.35/ 5.725–5.825GHz及2.5–2.69/ 3.4–3.69/5.25–5.85 GHz。共面波導(dǎo)天線由于具備：低表面波損耗、易與集成微波電路集成、小體積等優(yōu)點，使得其在現(xiàn)有的微波通信系統(tǒng)中得到了廣泛的應(yīng)用。近年來，國內(nèi)外對WLAN和WiMAX天線已進(jìn)行了廣泛的研究。提出了一種應(yīng)用于WLAN的雙頻寬帶印刷單極子天線，但是它僅可以滿足WLAN頻段的要求。

　　本文介紹一個共面波導(dǎo)饋電的雙環(huán)印刷單極子天線，如圖1所示。它可以滿足WLAN和WiMAX的頻帶覆蓋要求。它直接印刷在介質(zhì)板上，尺寸為26mm×36mm。天線的輻射部分主要由兩個閉合的方環(huán)及一個倒T型的微帶枝節(jié)組成。我們用Ansoff公司的仿真軟件HFSS對這種天線進(jìn)行了仿真和設(shè)計，然后加工出了天線實物，最后對天線實物進(jìn)行了一系列參數(shù)的測量。通過測量結(jié)果和仿真結(jié)果的比較，驗證了我們設(shè)計的可行性。

　　2 天線結(jié)構(gòu)和設(shè)計

　　天線的結(jié)構(gòu)標(biāo)注如圖1所示，整體尺寸為26mm×36mm。天線采用共面波導(dǎo)饋電，使得天線可以很容易地和集成微波電路集成在一起，饋線的寬度為3.3mm，和地板的間隙為0.4mm。介質(zhì)板的介電常數(shù)為3.5，厚度為1.6mm。輻射部分由兩個閉合的方環(huán)及一倒T型的微帶枝節(jié)構(gòu)成，大的方環(huán)的尺寸為20mm×15.5mm，決定了低端2.4GHz的工作頻段，小的方環(huán)的尺寸為10mm×13mm，決定了高端3.5/5GHz的工作頻段，通過加入倒T型的微帶枝節(jié)，調(diào)整枝節(jié)的長度及寬度，可以使得天線在3.5/5GHz頻段上獲得良好的阻抗匹配特性，在此設(shè)計中，所有的天線輻射元的寬度都統(tǒng)一地設(shè)置為1mm。

　　圖1 天線結(jié)構(gòu)

　　圖2 天線在各個頻段上的電流分布

　　天線的多頻工作原理可以從圖2所示的各頻段的電流分布看出。從圖中可知，在2.4GHz低頻段，天線電流主要集中在大的方環(huán)上，而在3.5/5GHz高頻段，天線電流主要分布在小的方環(huán)及倒T型枝節(jié)上。

　　3 實驗結(jié)果和分析

　　圖3是該三頻帶WLAN/WiMAX印刷單極子天線的實物圖。我們對加工出來的天線進(jìn)行了一系列的實驗參數(shù)測量。圖4給出了天線回波損耗(S11<-10dB)的仿真和實測結(jié)果的對比曲線。從圖中可以看出，在2.4GHz頻段，天線實測的頻率范圍為2.38-2.82GHz，其相對阻抗帶寬為17.5%;在3.5/5GHz頻段，實測的頻率范圍分別為3.32-3.88GHz和5.13-6.53GHz，相對阻抗帶寬分別達(dá)到16%和25.5%,滿足WLAN/WiMAX的覆蓋要求。對比仿真結(jié)果和實測結(jié)果發(fā)現(xiàn)：在低頻部分，兩者吻合地比較好，在高頻3.5/5GHz頻段出現(xiàn)了稍微的偏差，分析原因在于介質(zhì)板在高頻時，其介電常數(shù)出現(xiàn)了偏移，并且加工的精度也帶來了偏差。從整體上來看，兩者的一致性還是很好的，說明了仿真的可行性。

　　圖5，圖6和圖7為天線在2.4GHz，3.5GHz和5.5GHz時的天線各個平面的仿真和實測的方向圖?？梢钥闯?，在三個頻點上的輻射方向圖都類似于全向性，在yoz平面，天線的輻射方向圖更加接近于全向性。圖8為天線的增益測量曲線圖。

　　圖3 天線實物圖

　　圖4 天線回波損耗的仿真和實測值對比曲線

　　(a) xoy 面

　　(b) xoz面

　　(c) yoz面

　　圖5 天線2.4GHz時的輻射方向圖

　　(a) xoy 面

　　(b) xoz面

　　(c) yoz面

　　圖6 天線3.5GHz時的輻射方向圖

　　xoy面

　　(b) xoz面

　　(c) yoz面

　　圖7 天線5.5GHz時的輻射方向

　　圖8 天線增益頻響曲線

　　4 結(jié)論

　　本文設(shè)計并實測了一個共面波導(dǎo)饋電的小型化三頻帶雙環(huán)印刷單極子天線。該天線具有結(jié)構(gòu)尺寸小、低成本、低剖面、易集成等特點。另外實測結(jié)果表明，該天線覆蓋了WLAN/WiMAX頻段，且輻射方向圖滿足全向性要求。由于仿真和實測結(jié)果一致，所以該天線可以應(yīng)用于WLAN/WiMAX無線通信系統(tǒng)。