一種應用于WLAN/WiMAX的 三頻雙環印刷單極子天線

　　隨著近年來無線通信技術的迅猛發展，特別是無線局域網(WLAN)和全球微波互聯接入網絡(WiMAX)的應用，更加要求能夠提供多頻段工作的新型小型化天線，這兩個網絡系統覆蓋了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、小體積等優點，使得其在現有的微波通信系統中得到了廣泛的應用。近年來，國內外對WLAN和WiMAX天線已進行了廣泛的研究。提出了一種應用于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饋電的雙環印刷單極子天線，如圖1所示。它可以滿足WLAN和WiMAX的頻帶覆蓋要求。它直接印刷在介質板上，尺寸為26mm×36mm。天線的輻射部分主要由兩個閉合的方環及一個倒T型的微帶枝節組成。我們用Ansoff公司的仿真軟件HFSS對這種天線進行了仿真和設計，然后加工出了天線實物，最后對天線實物進行了一系列參數的測量。通過測量結果和仿真結果的比較，驗證了我們設計的可行性。

　　2 天線結構和設計

　　天線的結構標注如圖1所示，整體尺寸為26mm×36mm。天線采用共面波導饋電，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。介質板的介電常數為3.5，厚度為1.6mm。輻射部分由兩個閉合的方環及一倒T型的微帶枝節構成，大的方環的尺寸為20mm×15.5mm，決定了低端2.4GHz的工作頻段，小的方環的尺寸為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，調整枝節的長度及寬度，可以使得天線在3.5/5GHz頻段上獲得良好的阻抗匹配特性，在此設計中，所有的天線輻射元的寬度都統一地設置為1mm。

　　圖1 天線結構

　　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上，而在3.5/5GHz高頻段，天線電流主要分布在小的方環及倒T型枝節上。

　　3 實驗結果和分析

　　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行了一系列的實驗參數測量。圖4給出了天線回波損耗(S11<-10dB)的仿真和實測結果的對比曲線。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到16%和25.5%,滿足WLAN/WiMAX的覆蓋要求。對比仿真結果和實測結果發現：在低頻部分，兩者吻合地比較好，在高頻3.5/5GHz頻段出現了稍微的偏差，分析原因在于介質板在高頻時，其介電常數出現了偏移，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?？梢钥闯觯谌齻€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 結論

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