應用于WLAN/WiMAX的小型化三頻單極子天線設計

張克生

江蘇安全技術職業(yè)學院

0 引言

近年來，隨著無線通信技術的廣泛應用，小型化、多頻帶天線因其節(jié)省系統(tǒng)空間、減少天線數量而受到越來越多的關注。對于一個無線系統(tǒng)而言，在需要兩個或多個頻帶的情況下訪問多個業(yè)務是有利的。無線局域網（Wireless Local Area Network，WLAN）和全球微波接入互操作（Worldwide Interoperability for Microwave Access，WiMAX）技術廣泛應用于無線通信設備，通常需要雙頻或多頻天線，以適應這些設備的多種需求。為了滿足IEEE 802.11標準中WLAN 2.5/5.2/5.8 GHz和WiMAX 2.6/3.5/5.5 GHz頻段的帶寬要求，該多頻段平面天線同時具有低輪廓和重量、低成本、體積小、易于與其他電路集成和更高的性能，當然需要覆蓋所有這些工作波段的不同標準。

當前已有一些小型化和多頻天線的實現方法。在減小天線尺寸方面，使用彎曲技術和負載電容器或電感。多頻帶天線設計也有不同的實現方式，如蝕刻各種槽，增加多個諧振臂，采用特殊饋電技術。Ali等人介紹了一種用于WLAN應用的小型化雙頻平面印刷天線。通過在矩形輻射貼片上蝕刻一個方形槽來實現天線的小型化，通過加載兩個對稱的l形槽和一對窄縫來獲得天線的雙頻特性。Qian等人報道了3種應用于無線通信的多工作頻段微帶縫隙天線。通過加載具有多個諧振頻率的不同諧振器，天線獲得了不同的多次諧振。通過使用縫隙單極子和復合的右手/左手傳輸結構，提出了一種用于GPS/WLAN/WiMAX應用的非對稱共面波導饋電的四波段天線。El-Kham等人設計了一種采用分形樹結構的多頻帶平面天線。天線的仿真結果表明，通過改變樹形結構的數量可以調節(jié)諧振頻率的數量。

雖然在小型化和多頻段方面已經取得了一些進展，一些天線仍然受到復雜結構的影響，一些天線輻射模式或增益不夠穩(wěn)定的。因此，需要一種結構簡單、輻射特性良好的小型化多頻帶天線，覆蓋所需的WLAN和WiMAX頻段。本文在平面單極子天線工作原理基礎上，采用S型、U型和L型彎曲枝節(jié)分別實現2.5 GHz，3.5 GHz和5.5 GHz三個頻段的諧振，從而實現了小型化、三頻段單極子天線設計。仿真結果表明，所設計天線在該三個頻段具有良好的全向輻射特性，可應用于WLAN/WiMAX移動終端系統(tǒng)中。

1 天線結構與設計

天線結構如圖1所示，印制在相對介電常數為4.4、厚度為0.8 mm的FR4基板上，三個枝節(jié)分別工作與三個不同頻段。利用單極子天線工作原理，計算出各個頻段對應的枝節(jié)初始長度。為了縮小天線尺寸，實現小型化，低頻2.5 GHz頻段采用S型彎曲枝節(jié)，中頻3.5 GHz頻段采用倒U型彎曲枝節(jié)，而高頻5.5 GHz則使用常規(guī)的L型枝節(jié)。

圖1 天線結構

天線的設計過程如圖2所示，對每個頻段對應的枝節(jié)進行單獨仿真分析，得到單頻單極子天線的回波損耗如圖3所示。由圖3可以看出，天線1工作于2.5 GHz頻段，同時在7 GHz處產生諧振；天線2和天線3則分別工作與3.5 GHz和5.5 GHz頻段。不足之處在于低頻和中頻段的工作帶寬有待擴展。

圖2 天線設計過程

圖3 三個單頻天線的回波損耗

2 仿真結果分析

通過將三個單頻單極子天線的枝節(jié)連接在一起，從而實現了三頻單極子天線設計，天線結構如圖1所示。為了驗證該天線的工作原理，仿真分析了2.5 GHz，3.5 GHz和5.5 GHz的諧振頻率處輻射枝節(jié)上的面電流分布，其結果如圖4所示。由圖4（a）可以看出，天線工作于2.5 GHz時，表面電流分布在S型枝節(jié)上；圖4（b）則顯示倒U型枝節(jié)產生了3.5 GHz的諧振頻率；圖4（c）則表明5.5 GHz頻帶諧振于L型枝節(jié)。不同工作頻率下面電流分布特征與設計思路十分吻合。

圖4 不同頻率時輻射枝節(jié)上的面電流分布

在以上分析設計和參數掃描基礎上，實現了小型化三頻單極子天線設計，其結構參數分別為：V=40 mm；L=14 mm；L1=4.25 mm；L2=7 mm；T1=8 mm；T2=5 mm；T3=7 mm；R1=16.25 mm；R2=2 mm；R3=6 mm；S=11 mm。天線的回波損耗如圖5所示。由圖可以看出，天線回波損耗在-10 dB以下頻率部分分別為2.46～2.62 GHz，3.38～3.70 GHz，5.16～5.89 GHz。天線在2.5 GHz、3.5 GHz、5.5 GHz中心頻段的帶寬足夠寬，能滿足WLAN/WiMAX系統(tǒng)中移動終端的天線帶寬要求。

圖5 所設計天線的回波損耗

所設計天線在2.5 GHz，3.5 GHz和5.5 GHz頻率處的遠場輻射方向圖如圖6所示，由圖可知，頻率為2.5 GHz時，天線的輻射方向圖在E面近似圓形，而在H面為啞鈴狀；頻率為3.5 GHz和5.5 GHz時，天線的輻射方向圖在H面接近圓形，在E面為啞鈴狀，均表現出良好的全向輻射特性，能較好地滿足移動終端天線的通信需求。

圖6 天線的輻射方向

3 結束語

在單極子天線工作原理基礎上，利用S型、U型和L型彎曲枝節(jié)分別諧振于2.5 GHz，3.5 GHz和5.5 GHz三個頻段，實現小型化。仿真研究了不同頻率處輻射枝節(jié)上的面電流分布，其分布特征與設計思路非常吻合。仿真分析了天線的工作頻帶和遠場輻射方向圖，結果表明，所設計天線能較好地諧振于2.5 GHz，3.5 GHz，5.5 GHz三個頻段，且均能形成全向輻射特性，符合WLAN和WiMAX系統(tǒng)中天線的帶寬和方向圖覆蓋要求，且具有結構簡單的特點，可應用于移動終端系統(tǒng)中。