WLAN和WiMAX的雙頻組合 天線的寬頻帶小型化設(shè)計

1 引言

隨著無線通信技術(shù)的迅速發(fā)展，低成本、小型化、易制作的多頻天線已經(jīng)成為了現(xiàn)代無線通信系統(tǒng)中的重要的組成部分，并引起了人們的廣泛關(guān)注。中提出的四種雙頻組合天線的帶寬較窄，且尺寸較大；文獻[5-6]研究了多頻縫隙天線的設(shè)計，通過縫隙極子天線和微帶線的不同組合來實現(xiàn)多頻特性，但這類天線的尺寸同樣比較大，且高頻方向圖的全向性不好；微帶天線通過縫隙加載技術(shù)也能實現(xiàn)多頻天線的設(shè)計[7-8]，但需要短路針與地板相連接，使得天線結(jié)構(gòu)復(fù)雜，加工困難。

中提出了一種終端開路的矩形環(huán)極子雙頻天線，但該天線的高頻帶寬太窄，不能覆蓋WLAN 5.8GHz工作頻段，而且高頻段的方向圖有所失真；為了增加天線的帶寬，文獻[10]提出了一終端加載的矩形環(huán)極子雙頻天線，通過在環(huán)終端加載一微帶線實現(xiàn)高頻段寬頻化設(shè)計，但該天線不能工作WiMAX3.5GHz 頻段。

為了進一步增加天線的帶寬，使天線能工作在WLAN 2.4/5.2/5.8GHz和WiMAX 2.5/3.5/5.5 GHz的全部頻段，同時又能實現(xiàn)天線的小型化設(shè)計，本文提出了一種矩形環(huán)極子和I形極子組合的雙頻天線結(jié)構(gòu)。該天線由I形極子和環(huán)形極子輻射產(chǎn)生高低頻段，并實現(xiàn)雙頻寬頻帶特性。該天線不僅能應(yīng)用在WLAN通信終端設(shè)備，還能工作在WiMAX終端設(shè)備，與文獻[1-10]中的天線相比較，具有明顯的優(yōu)勢。

2 天線設(shè)計

天線的結(jié)構(gòu)示意圖如圖1所示。該天線由一環(huán)形極子和I形極子組合而成，印制在一塊厚度為1.6mm、相對介電常數(shù)為4.4 的FR4印刷電路基板上。矩形環(huán)的尺寸為W₁×L₁、厚度為W₃，I形極子的長度為S+S₁+L₂、寬度為W₂，I形極子和環(huán)形極子的長度分別約為高低諧振頻率對應(yīng)的1/4波長。該雙頻天線由共面波導(dǎo)饋電，50om微帶饋線的寬度為W_f ，與地板之間的縫隙為g，兩矩形地板的長為L、寬為W，并分布在饋線的兩邊。

圖1 天線結(jié)構(gòu)圖

圖2 各天線的回波損耗（天線的尺寸為：L =16 mm, W=14 mm, W_f =2.5 mm, g=1 mm, S= 4 mm, S₁=2.1 mm, L₁ =19 mm, L₂ =7.5 mm, W₁ =11.5 mm, W₂ =4.5 mm, W₃ =2 mm, g₁=1.5 mm）

在天線的設(shè)計過程中，首先應(yīng)用仿真軟件HFSS對天線進行初始化設(shè)計，先調(diào)整環(huán)形極子天線的參數(shù)使其工作在低頻段，再在環(huán)形極子內(nèi)嵌入I形極子天線，調(diào)增相應(yīng)的設(shè)計參數(shù)，產(chǎn)生雙頻寬頻特性。天線的設(shè)計參數(shù)和仿真的回波損耗由圖2所示，從圖2中可以看出，環(huán)形極子產(chǎn)生低頻頻段，I形極子產(chǎn)生高頻頻段；環(huán)形極子的長度S+L₁為諧振頻率2.9 GHz對應(yīng)波長的0.18倍，而I形極子的長度為諧振頻率5.2GHz對應(yīng)波長的0.24倍。

3 試驗結(jié)果與分析

為了驗證該組合雙頻天線設(shè)計方法的有效性，基于圖2中給出的天線尺寸，我們加工了一天線樣品，樣品天線的照片見圖3。天線仿真和實測的回波損耗見圖4。從圖中可以看出，天線實測的高低頻段的10dB 阻抗帶寬分別為46.3% (2.36-3.78 GHz)和31.4% (5.1-7 GHz)，能覆蓋WLAN 2.4/5.2/5.8 GHz和WiMAX 2.5/3.5/5.5 GHz 工作頻段，仿真的回波損耗和實測的結(jié)果基本吻合。

圖3 天線照片

圖4 實測的回波損耗

天線仿真的電流分布見圖5。從圖5(a)中可以看出，大部分電流集中在環(huán)形天線上，激勵產(chǎn)生低頻諧振；從圖5(b)中可以看出，電流集中在I形天線上，激勵產(chǎn)生高頻諧振。也就是說，環(huán)形天線諧振產(chǎn)生低頻頻段，而I形極子諧振產(chǎn)生高頻頻段。

(a) 2.9GHz

( b) 5.4GHz

圖5 在高低頻諧振頻率的電流分布圖

(a)

(b)

(c)

圖6 天線方向圖

圖7 天線增益

由于在各頻段的方向圖變化不大，我們測量了2.5 GHz、3.5 GHz和5.5 GHz時各坐標(biāo)平面的方向圖，如圖6所示，這些方向圖與偶極子天線的方向圖基本相似。該天線在2.3–3.8 GHz and 5–6 GHz頻段的增益分別從2.7到3.4dBi和2.5–4.1dBi，如圖7所示。

4 結(jié)束語

本文提出了一種矩形環(huán)形極子與I形極子組合雙頻天線，該天線的結(jié)構(gòu)簡單、制造容易，并且在每個頻段都實現(xiàn)了寬頻帶設(shè)計。該天線不僅能應(yīng)用在WLAN通信終端設(shè)備，還能工作在WiMAX終端設(shè)備，具有良好的應(yīng)用價值。