應(yīng)用于WLAN/WiMAX的三頻單極子天線設(shè)計

李建軍，于利娟，杜文權(quán)

(西安電子科技大學(xué)理學(xué)院，陜西西安 710071)

隨著現(xiàn)代無線通信技術(shù)的迅速發(fā)展，無線局域網(wǎng)(Wireless Local Area Networks，WLAN)得到廣泛應(yīng)用。WLAN是利用無線通信技術(shù)在空中傳輸數(shù)據(jù)、話音和視頻信號，使用戶可以隨時隨地地交換信息。全球微波互聯(lián)接入(Worldwide Interoperability for Microwave Access，WiMAX)是一項新興的寬帶無線接入技術(shù)，能提供面向互聯(lián)網(wǎng)的高速連接，數(shù)據(jù)傳輸距離最遠可達50 km。目前的WLAN主要工作在2.45 GHz(2.4～2.484 GHz)、5.2 GHz(5.15～5.35 GHz)和 5.8 GHz(5.725～5.825 GHz)，而 WiMAX工作在 2.5 GHz(2.5～2.69 GHz)、3.5 GHz(3.4～3.69 GHz)和5.5 GHz(5.25 ～5.85 GHz)［1］。

在無線通信領(lǐng)域中，對微帶天線的一些如多頻段、低成本、小型化和易于加工的實際需要引起了人們的廣泛關(guān)注。常見的小型化多頻天線結(jié)構(gòu)是基于倒F天線的一些變形，這些設(shè)計利用倒F天線的小型化和低剖面優(yōu)勢，通過開槽、增加支節(jié)等方法實現(xiàn)多頻諧振。然而為實現(xiàn)多頻工作，引入的結(jié)構(gòu)往往比較復(fù)雜?；诖?，文中設(shè)計了一種可同時工作于WLAN(2.4 GHz與5.8 GHz)和WiMAX(3.5 GHz)3個頻段的微帶天線。該天線通過3個L型微帶結(jié)構(gòu)1/4波長單極子的組合，實現(xiàn)了三頻帶的工作。天線幾何結(jié)構(gòu)簡單，介質(zhì)板采用1.52 mm的Rogers R04003，便于和微波集成電路實現(xiàn)集成化設(shè)計。

1 天線的結(jié)構(gòu)設(shè)計

(1)微帶貼片天線多頻段方法。從實現(xiàn)雙頻或多頻段工作的貼片結(jié)構(gòu)以及基板等物理結(jié)構(gòu)上來分類，實現(xiàn)雙頻或者多頻的基本方式主要有以下幾種:1)采用單一貼片，利用幾種不同的自然模式來實現(xiàn)雙頻或者多頻工作。2)采用單一貼片，通過加載或者開槽的方法改變貼片各種自然模式的場分布，從而使諧振頻率受到干擾，最終實現(xiàn)雙頻或者多頻工作。3)采用單層基板、多個貼片的結(jié)構(gòu)。如采用諧振頻率不同的貼片形成多諧振的特性;也可以采用多個輻射單元構(gòu)成多頻點諧振的微帶天線等。4)采用多層重疊貼片結(jié)構(gòu)。如利用多層貼片結(jié)構(gòu)形成多個諧振器，從而產(chǎn)生多頻段工作特性;采用多層貼片重疊，各自饋電的圓形貼片結(jié)構(gòu)得到具有雙頻段工作特性的微帶天線等。針對上面的微帶貼片天線多頻段的理論方法，文中采用單層基板、多個貼片的結(jié)構(gòu)使天線多頻段工作。

(2)微帶結(jié)構(gòu)1/4波長單極子天線。1/4波長單極子天線是將偶極子天線利用鏡像法，引入接地面后得到的，與偶極子天線相比，1/4波長單極子天線因為引入了接地面，電磁波只在接地面上方有輻射功率，從而使輻射功率只有半波偶極子的1/2。然而1/4波長偶極子天線方向性系數(shù)與半波偶極子天線均為2.15 dB?？梢岳萌鐖D1(a)所示的微帶線結(jié)構(gòu)實現(xiàn)1/4波長單極子天線，為進一步縮小天線的幾何尺寸，還可以將天線折成如圖1(b)所示的L形結(jié)構(gòu)［2］。當(dāng)天線工作于中心頻率為2.4 GHz、3.5 GHz和5.8 GHz頻段時，這3個中心頻率的電磁波在自由空間中對應(yīng)的1/4波長分別約為31 mm、21 mm和13 mm;若電磁波在全部填充相對介電常數(shù)為3.38的Rogers R04003介質(zhì)中傳播，對應(yīng)的1/4波長分別約為15 mm、10 mm和3 mm。對于2.4 GHz的中心頻率，若采用自由空間波長，則1/4波長單極子天線的長度為31 mm;若采用介質(zhì)中的波長，則1/4波長單極子天線的長度為15 mm。對于PCB板上的微帶單極子天線，波的傳播既經(jīng)過介質(zhì)又經(jīng)過自由空間，因此實際波長應(yīng)該介于介質(zhì)的導(dǎo)波波長和自由空間的工作波長，從而得到2.4 GHz工作頻段的1/4波長單極子天線的長度應(yīng)該介于15～31 mm。同理，可得到3.5 GHz工作頻率的1/4波長單極子天線的長度介于10～21 mm，5.8 GHz工作頻率的1/4波長單極子天線的長度介于3～13 mm。通過調(diào)整微帶饋線的位置實現(xiàn)其與天線的阻抗匹配［3-5］。

圖1 微帶結(jié)構(gòu)1/4波長單極子天線

(3)三頻單極子天線結(jié)構(gòu)設(shè)計。按照微帶結(jié)構(gòu)1/4波長單極子天線的設(shè)計方法，設(shè)計了如圖2所示結(jié)構(gòu)的三頻單極子天線。天線的結(jié)構(gòu)大致分為6個部分:介質(zhì)層、L型高頻(5.8 GHz)單極子天線、L型中頻(3.5 GHz)單極子天線、L型低頻(2.4 GHz)單極子天線、微帶饋線和參考地。介質(zhì)層的材料使用Rogers R04003，相對介電常數(shù)為3.38，介質(zhì)層的上表面是微帶饋線和L型單極子天線，結(jié)構(gòu)如圖2所示。通過調(diào)節(jié)介質(zhì)層上表面3個L型結(jié)構(gòu)單極子天線的長度，可以得到所要求的天線諧振頻率。其中左側(cè)的L型結(jié)構(gòu)是中頻單極子天線，工作于3.5 GHz頻段;中間的L型單極子天線是高頻單極子天線，工作于5.8 GHz頻段;右邊的L型單極子天線是低頻單極子天線，工作于2.4 GHz頻段。介質(zhì)層下表面是L型單極子天線的參考地，結(jié)構(gòu)如圖2(b)所示［6-8］。根據(jù)偶極子天線和單極子天線的原理和高頻結(jié)構(gòu)仿真軟件HFSS對所設(shè)計的天線進行仿真優(yōu)化，優(yōu)化后的天線尺寸如表1所示。

圖2 天線結(jié)構(gòu)

表1 天線結(jié)構(gòu)尺寸

綜上，優(yōu)化后的低頻單極子天線長度為

中頻單極子天線的長度為

高頻單極子天線的長度為

式(1)～式(3)中，優(yōu)化后單極子天線的實際長度約為1/4波長，2.4 GHz低頻單極子天線長度更接近相應(yīng)的1/4波長;而高頻單極子天線實際長度與低頻單極子天線長度相比電長度更小［9-10］。

2 天線特性仿真與結(jié)果分析

天線的回波損耗由圖3所示，天線在2.4 GHz、3.5 GHz和5.8 GHz時的S11值均低于-10 dB，帶寬分別約為108 MHz，138 MHz和552 MHz。天線能夠工作于WLAN2.4/5.8 GHz和WiMAX3.5 GHz頻段，此頻段符合 WLAN應(yīng)用的 IEEE802.11b/g頻段標準和WiMAX應(yīng)用的IEEE802.16d頻段標準要求。

圖3 回波損耗曲線

為進一步研究三頻天線的特性，使用HFSS仿真了該天線在2.4 GHz、3.5 GHz和5.8 GHz時3個L形單極子天線的表面電流，如圖4所示。圖4(a)中強的電流分布位于輻射體右側(cè)較長的L形單極子天線上，表明該結(jié)構(gòu)是產(chǎn)生低頻(2.5 GHz)的諧振器。對于3.5 GHz的工作頻率，最強的電流分布存在于圖4(b)中輻射體左端L形單極子結(jié)構(gòu)上。由于該單極子天線的諧振特性，該設(shè)計可以得到寬頻帶，滿足3.5 GHz WiMAX標準。圖4(c)的結(jié)果表明第3個諧振模式(5.8 GHz)主要由輻射體中間的L形單極子天線的電流分布決定。

圖5～圖 7分別對應(yīng)天線工作于 2.4 GHz、3.5 GHz和5.8 GHz時在xoz平面與yoz平面的輻射增益方向圖。從增益方向圖可以看出，該天線在3個頻點上的性能與理想單極子天線性能較為相似，除5.8 GHz yoz面外，均類似于全向性。在平面上，天線的輻射方向圖更加接近于全向性。

圖7 5.8 GHz增益方向圖

圖8為天線在2.4 GHz、3.5 GHz和5.8 GHz頻點面內(nèi)增益方向圖，在低頻時具有相對較好的全向性，但在高頻時表現(xiàn)更多的有向性，這是因為背面的矩形接地板在高頻的時候輻射更多的電磁波從而惡化了xoy面的全向性。

仿真結(jié)果同時表明，天線在2.4 GHz、3.5 GHz和5.8 GHz頻點下的增益分別為3.351 dB、3.262 dB和5.155 dB，表明天線具有良好的增益。

3 結(jié)束語

設(shè)計了一種結(jié)構(gòu)簡單的L型單極子三頻微帶天線，通過3個L型微帶結(jié)構(gòu)1/4波長單極子天線的組合，實現(xiàn)了三頻帶的工作，可工作于 WLAN(2.4/5.8 GHz)和WiMAX(3.5 GHz)所對應(yīng)的頻段上。同時天線具有良好的全向輻射特性和增益，適合在移動通信場合使用，天線幾何結(jié)構(gòu)簡單、易于加工制作、便于和微波集成電路實現(xiàn)集成化設(shè)計。

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