應(yīng)用于WiFi/WiMAX的三頻超介質(zhì)加載天線

廖 俊

（桂林電子科技大學(xué) 信息與通信學(xué)院，廣西 桂林 541004）

0 引言

隨著 WiFi（2.40～2.48 GHz，5.15～5.80 GHz）以及WiMAX（3.30～3.80 GHz）標(biāo)準(zhǔn)的提出，無線局域網(wǎng)（WLAN）通信技術(shù)迅猛發(fā)展。為了滿足多種無線通信標(biāo)準(zhǔn)的要求，如何設(shè)計(jì)出兼具小型化、多頻帶特點(diǎn)的寬帶天線是一個(gè)技術(shù)難點(diǎn)。彎折線結(jié)構(gòu)是比較傳統(tǒng)的實(shí)現(xiàn)天線小型化和寬帶寬性能的手段之一[1-2]。為了進(jìn)一步改善彎折線天線的性能，學(xué)者們提出了許多改進(jìn)的彎折線結(jié)構(gòu)，如不均勻彎折線[3]，3D彎折線天線[4]等。隨著研究的深入，超介質(zhì)因其新穎的特性和廣闊的潛力吸引了國內(nèi)外學(xué)者的注意，其中負(fù)折射率傳輸線超介質(zhì)[5]在眾多新興天線設(shè)計(jì)中因其獨(dú)特的超介質(zhì)特點(diǎn)獨(dú)占優(yōu)勢(shì)。在這之中最值得注意的有緊湊型多帶寬貼片天線[6]、垂直極化的彎折型偶極子[7]、寬帶雙模單極子天線[8]等。

本論文旨在設(shè)計(jì)一種三工作頻段、低成本、能夠同時(shí)支持WiFi頻段以及WiMAX頻段的天線。根據(jù)超介質(zhì)理論中負(fù)折射率傳輸線的工作原理，超介質(zhì)加載的天線在2.45 GHz和5.5 GHz時(shí)呈現(xiàn)明顯的偶模電流，這使得天線類似折合單極子工作。在3.55 GHz左右，超介質(zhì)加載結(jié)構(gòu)形成共面波導(dǎo)CPW接地面電流的巴倫，致使整個(gè)接地面的頂部邊緣成為主要輻射體，呈偶極子模式輻射。同時(shí)背部矩形貼片的加入能改善天線的阻抗帶寬和輻射性能。按照仿真優(yōu)化的尺寸參數(shù)制作了天線實(shí)物，測(cè)試結(jié)果表明該天線能很好地應(yīng)用于三工作頻段的WLAN。

1 天線結(jié)構(gòu)等效電路分析

鑒于單純的彎折線單極子天線不能滿足WLAN的應(yīng)用要求，這里通過超介質(zhì)加載技術(shù)增加天線的諧振點(diǎn)，拓寬天線工作頻帶。本論文天線結(jié)構(gòu)如圖1所示，由不均勻彎折線單極子、共面波導(dǎo)和負(fù)折射率傳輸線超介質(zhì)結(jié)構(gòu)組成，通過SMA連接頭采用共面波導(dǎo)饋電，所用的FR4基板厚度為T=1.59 mm，相對(duì)介電常數(shù)εr=4.9。

該超介質(zhì)加載天線采用了一種不對(duì)稱形式，可等效為π形負(fù)折射率傳輸線單元。圖2給出了等效電路示意圖，其中串聯(lián)電容C′由基本正面的彎折線單極子和基板背面的矩形貼片耦合而成，并聯(lián)電感L1為彎折線單極子的基部形成，并聯(lián)電感L2由基板背面的細(xì)長(zhǎng)金屬條和連接共面波導(dǎo)接地面和背面矩形貼片的過孔共同組成。天線的幾何尺寸決定了C′，L1和L2的取值，也就是說矩形貼片、單極子、細(xì)長(zhǎng)金屬條的尺寸是影響天線工作性能的重要參數(shù)，通過調(diào)節(jié)設(shè)定合適的參數(shù)，可以得到同相電流，這樣就保證了負(fù)折射率傳輸線超介質(zhì)結(jié)構(gòu)的反向波對(duì)輸入信號(hào)產(chǎn)生相移，構(gòu)成緊湊型折合單極子結(jié)構(gòu)。

實(shí)際上，通過合理設(shè)置天線尺寸參數(shù)獲得合適的C′，L1和L2的取值，當(dāng)滿足阻抗匹配條件（見式（1））時(shí)可使π形結(jié)構(gòu)的相移趨于0。

文獻(xiàn)[9]給出的公式能夠得出π形結(jié)構(gòu)的相移

可以把式（2）所示相移看作兩部分，一部分相移ΨT由主體傳輸線產(chǎn)生，另一部分相移ΨB由串聯(lián)電容和并聯(lián)電感形成的反向波產(chǎn)生。當(dāng)ΨB調(diào)節(jié)到一個(gè)適合的相位值時(shí)，Ψeff=0，天線產(chǎn)生一個(gè)諧振點(diǎn)，工作頻帶得以拓寬。

2 仿真分析與實(shí)測(cè)結(jié)果

根據(jù)上述理論，調(diào)節(jié)合適的C′，L1和L2的取值，重點(diǎn)研究了矩形貼片、單極子、細(xì)長(zhǎng)金屬條的尺寸參數(shù)對(duì)天線工作性能的影響。通過調(diào)節(jié)不均勻彎折線各部分的長(zhǎng)度和寬度來獲得WiFi頻段內(nèi)的兩個(gè)諧振點(diǎn)，彎折線總長(zhǎng)度約為66 mm，略小于2.45 GHz頻率點(diǎn)的1/2波長(zhǎng)。彎折線單極子尺寸為S=1 mm，W=1 mm，D1=6 mm，W1=3 mm，D2=6 mm，W2=1 mm，D3=6.5 mm，W3=2.5 mm。通過CST仿真軟件建立天線模型，進(jìn)行仿真優(yōu)化，并通過制作實(shí)物進(jìn)行測(cè)試，測(cè)試曲線與仿真曲線相仿，從而驗(yàn)證了本論文設(shè)計(jì)天線的可行性，天線最終優(yōu)化參數(shù)見表1。

表1 設(shè)計(jì)天線主要指標(biāo) mm

2.1 天線|S1,1|曲線分析

本論文天線針對(duì)WiFi頻段以及WiMAX頻段而設(shè)計(jì)，參考文獻(xiàn)中不均勻彎折線單極子結(jié)構(gòu)初步獲得WiFi頻段的兩個(gè)諧振點(diǎn)，固定單極子尺寸，調(diào)節(jié)天線其他尺寸參數(shù)，拓寬天線工作帶寬，使整個(gè)天線系統(tǒng)達(dá)到更好的阻抗匹配，優(yōu)化天線性能。超介質(zhì)加載是獲得WiMAX工作頻段的主要因素，并且明顯改善了單極子高頻段的諧振特性。

通過第1節(jié)所述分析，使超介質(zhì)π形結(jié)構(gòu)在3 GHz頻段的相移Ψeff產(chǎn)生一個(gè)零值，初步得到一個(gè)諧振點(diǎn)，便可以通過調(diào)節(jié)共面波導(dǎo)接地面的尺寸參數(shù)在3 GHz頻段獲得良好的諧振特性。以下利用CST Microwave Studio仿真軟件進(jìn)一步分析接地面寬度GW和接地面長(zhǎng)度GL對(duì)天線性能的影響。圖5給出了在不同接地面寬度GW取值下天線的回?fù)軗p耗曲線，接地面寬度GW對(duì)3 GHz頻段的諧振點(diǎn)影響較大，隨著GW的增大，3 GHz頻段的諧振特性變差，諧振點(diǎn)逐漸向低頻漂移，而低端和高端的諧振點(diǎn)移動(dòng)卻不明顯。圖6展示了不同接地面長(zhǎng)度GL取值對(duì)天線回波損耗的影響，接地面長(zhǎng)度GL可以調(diào)節(jié)天線系統(tǒng)的整個(gè)工作頻段的諧振特性，經(jīng)軟件仿真優(yōu)化發(fā)現(xiàn)當(dāng)GL取11 mm時(shí)，天線系統(tǒng)諧振特性最好，獲得適于WiFi頻段以及WiMAX頻段工作的阻抗匹配帶寬。

2.2 天線表面電流分布及輻射方向圖

如圖7a，7c所示，超介質(zhì)加載天線的三工作頻段可由其在每個(gè)諧振點(diǎn)的表面電流分布來解釋。通過CST Microwave Studio仿真觀察到，在2.45 GHz與5.5 GHz處天線流過彎折線單極子的電流與流過背面感性細(xì)金屬線的電流是同相的，這樣超介質(zhì)加載結(jié)構(gòu)就形成了一個(gè)雙臂的折合單極子，另外在兩接地面頂部邊緣的異相電流形成平衡共面波導(dǎo)模式，這些電流對(duì)天線輻射不做貢獻(xiàn)，因此在這兩個(gè)頻點(diǎn)處沿x軸方向的彎折線單極子與超介質(zhì)加載背部耦合片作為主要輻射體向外輻射電磁波。

與上述情況不同的是，在3.55 GHz處天線不再作為折合單極子輻射工作，而是沿y軸的類似偶極子工作模式。如圖7b所示，在兩接地面頂部邊緣的同相電流使兩接地面成為了此頻率點(diǎn)的主要輻射元件，此時(shí)天線的諧振點(diǎn)便與接地面寬度GW有關(guān)，與圖5的仿真結(jié)果吻合。

基于上述原理，天線在2.45 GHz，5.5 GHz與3.55 GHz的E面方向圖或H面方向圖是不同的方位面。在2.45 GHz與5.5 GHz處，天線E面方向圖在x-z平面，H面方向圖在x-y平面；在3.55 GHz處，天線E面方向圖在y-z平面，H面方向圖在x-z平面。天線在此3個(gè)頻點(diǎn)的增益值分別是2.45 GHz的2.24 dBi，3.55 GHz的2.47 dBi和5.5 GHz的3.24 dBi，輻射效率均在85%左右。從圖8的天線輻射方向圖可以看出，天線具有良好的全向輻射特性，這與前面所述天線表面電流分布情況相吻合。而在3.55 GHz頻點(diǎn)，超介質(zhì)加載滿足阻抗匹配條件（式（1）），產(chǎn)生零相移，展現(xiàn)超介質(zhì)特性，由于天線的不對(duì)稱π形結(jié)構(gòu)使得此時(shí)天線E面方向圖也為不對(duì)稱圖形。

3 小結(jié)

本文設(shè)計(jì)并測(cè)試了一種適用于WiFi及WiMAX頻段的超介質(zhì)加載三頻段貼片天線，利用負(fù)折射率傳輸線π形超介質(zhì)結(jié)構(gòu)在所需頻率點(diǎn)獲得零相移，增加天線諧振頻率點(diǎn)，拓寬工作帶寬，使天線恰好覆蓋所需工作頻段，|S1,1|曲線在 2.40～2.48 GHz，3.30～3.80 GHz和 5.15～5.80 GHz均小于-10 dB，并且具有較高的輻射效率。測(cè)試結(jié)果與仿真結(jié)果吻合良好，證明了該超介質(zhì)加載天線的可行性。該天線結(jié)構(gòu)緊湊，體積小，成本低，易于制作，三頻段內(nèi)較高的輻射效率使其能很好地應(yīng)用于WLAN，具有廣泛的應(yīng)用潛力。

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