一種應(yīng)用在WLAN/ WiMAX的寬帶水平極化全向天線陣列

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【摘 要】本文研究了應(yīng)用在WLAN/ WIMAX的一種寬帶水平極化全向天線陣列，是由四個(gè)波紋加載的錐銷縫隙天線（TSA）單元組成。加載波紋槽的目的是為了實(shí)現(xiàn)天線陣列的小型化。利用TSA單元的非諧振特性，該天線陣列的阻抗帶寬（小于-10dB）可以達(dá)到1.5GHz（2.2-3.7GHz），覆蓋了WLAN/ WIMAX頻帶。在工作頻段內(nèi)，E面方向圖的增益變化小于1.6dB。

【關(guān)鍵詞】寬帶；水平極化；全向；錐銷縫隙天線（TAS）；WLAN；WIMAX

0 引言

水平極化全向天線在室內(nèi)基站無線通信中變得越來越有吸引力。水平極化全向天線設(shè)計(jì)的難點(diǎn)之一是阻抗匹配，環(huán)形天線的輻射電阻小且電抗高，在有限的帶寬內(nèi)阻抗匹配比較差[1]。自從一種水平極化的全向線結(jié)構(gòu)Alford環(huán)形天線提出來之后[2]，一些相似的Alford環(huán)形天線被提出來并被研究[3-5]。通過加載周期平行板線（MNG-TL）設(shè)計(jì)了水平極化全向平面環(huán)形天線[6]。另一個(gè)難點(diǎn)是改善方向圖不圓度。通過采用非諧振單元[7]，四單元偶極子陣列排成圓陣實(shí)現(xiàn)了水平極化全向輻射。陣列中偶極子陣元的波束寬度窄導(dǎo)致水平面方向圖的不圓度比較差，在中心頻率處的不圓度大約為5dB。隨后提出了一種由四個(gè)弧形偶極子組成的寬帶水平極化全向天線[8]。

本文提出了一種波紋加載TSA天線陣列。該TSA陣列可以實(shí)現(xiàn)從2.2至3.7GHz（相對(duì)帶寬50%）頻率范圍內(nèi)VSWR小于2的阻抗帶寬，覆蓋WLAN和WiMAX頻段，并且E面方向圖的增益變化小于1.6dB。

1 天線設(shè)計(jì)

1.1 天線結(jié)構(gòu)

該天線的幾何形狀（如圖1所示）由四個(gè)錐銷縫隙天線和一分四的功分器組成。天線印刷在厚度為1mm，相對(duì)介電常數(shù)為2.65，損耗正切角為0.0017的介質(zhì)基板上，饋電點(diǎn)位于圓盤中心，饋電網(wǎng)絡(luò)利用四分之一波長(zhǎng)阻抗變換器實(shí)現(xiàn)陣元阻抗到200Ω的阻抗變換。在饋電點(diǎn)處，4個(gè)200Ω的阻抗并聯(lián)后輸出50Ω的阻抗。波紋加載TSA陣列為圓形盤，其直徑為90mm，陣列的其他尺寸通過仿真優(yōu)化得到如下參數(shù)：R=45mm，S= 1mm，H=6.8mm，L=16.5mm，D=23.7mm，開口率r =0.07。

1.2 工作原理

為了更好地解釋該天線陣列的工作原理，以下通過兩部分進(jìn)行分析：輻射部分和饋電網(wǎng)絡(luò)。

1.2.1 輻射部分

當(dāng)TSA單元的長(zhǎng)度L大于3λ0（λ0是在真空中最低頻率的波長(zhǎng)）時(shí)，TSA單元可以在端射方向輻射[9]。為了TSA陣列在輻射方向得到很好的全向性，TSA陣元的輻射方向圖在E面要盡可能寬。選擇盡可能短的長(zhǎng)度L，TSA單元E面可得到一個(gè)較寬的波束寬度，如圖1所示。所以設(shè)計(jì)的目標(biāo)是實(shí)現(xiàn)E面良好的輻射全向性和寬帶阻抗匹配。

1.2.2 饋電網(wǎng)絡(luò)

為了給四個(gè)TSA 陣元饋電，設(shè)計(jì)了一個(gè)一分四的功分器，如圖2所示。饋電點(diǎn)位于圓盤中心，可通過SMA接頭直接連接到天線陣列。

1.3 結(jié)果和分析

用Ansoft HFSS仿真設(shè)計(jì)波紋加載TSA陣列，VSWR小于2的帶寬為50%（2.2GHz-3.7GHz），如圖3所示。E面方向圖在高頻處增益變化較大，在中心頻率處，E面方向圖增益變化小于1.6dB，如圖4所示。

2 結(jié)論

本文設(shè)計(jì)由四個(gè)波紋加載TSA單元組成的寬帶水平極化全向天線陣列。該天線陣列實(shí)現(xiàn)了從2.2至3.7GHz（相對(duì)帶寬50%）頻率范圍內(nèi)VSWR小于2的阻抗帶寬。仿真結(jié)果表明，在中心頻率處E面方向圖具有良好的全向性，增益起伏小于1.6dB。因此，該陣列天線非常適用于WiMAX和WLAN系統(tǒng)。

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[責(zé)任編輯：楊玉潔]