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一种多频带印刷单极子天线的设计

时间:07-20 来源:中航飞机 点击:

随着通信容量和信息传输速率的不断提高,人们对通信技术的发展和进步提出了更多、更高的要求。而天线是移动通信系统中不可或缺的关键部件,已成为通信终端中的重要部件。

现今的无线通信设备种类繁多,集成了多种系统模块,并能稳定、高效地工作。因此,如何使终端天线能够在这些网络频带范围内工作,减少天线间的干扰,降低制作成本,实现多系统共用以及收发共用成为主要研究方向。

本文提出了一种可用于WLAN和WiMax无线通信系统的三频带印刷单极子天线。通过在微带板上蚀刻的双"G"形辐射贴片,使得天线覆盖2.4/5.2/5.8 GHz WLAN和3.5/5.5 GHz WiMax频带,并在带内具有较好的全向辐射特性。

1天线的设计与结构

三频带印刷单极子天线的结构如图1所示。天线印刷在相对介电常数为4.4,厚度为1 mm的FR4介质基板上,整体尺寸为37 mm×18 mm.馈电部分是50Ω的微带线,其中微带线宽度为2 mm,并与SMA型同轴连接器相连。天线正面是对称的双"G"形辐射贴片,背面全部为介质。通过调节辐射贴片臂B1、B2、B3的长度,可使得天线工作在2.4/5.2/5.8 GHz WLAN和5.5 GHz WiMax频带。同时,为使得天线获得较好的辐射性能和增益,天线辐射贴片的臂均为完全对称结构。


图1 三频带印刷单极子天线的结构

为考察结构尺寸对天线电性能的影响,采用AnsoftHFSS V13对设计的天线进行了仿真,经过加工调试,天线的尺寸如下:L=37 mm,L1=18 mm,L2=15 mm,L3=11 mm,L4=14 mm,L5=16 mm,L6=15 mm,W=18 mm,W1=2 mm,W2=3 mm,W3=2 mm,W4=3 mm,H=1 mm.

2结果分析

图2~图4分别给出了参数L2、L3和L5取不同值时,天线回波损耗的仿真结果,可以看出分别调节双"G"形辐射贴片的臂长即更改参数L2、L3和L5的取值可以改变天线相对应谐振频带的位置,且基本不会影响其他频段的工作带宽。因此,通过调节辐射贴片的臂长,可以使得天线覆盖2.4/5.2/5.8 GHz WLAN和3.5/5.5 GHz WiMax频带。



图2 参数L2对天线回波损耗的影响



图3 参数L3对天线回波损耗的影响



图4 参数L5对天线回波损耗的影响

为验证辐射贴片对天线性能的影响,图5给出了包含不同辐射贴片臂时,天线回波损耗的仿真结果。可以看出,引入3个辐射贴片臂后,天线可以获得3个工作频带,并且不同臂彼此之间影响比较小。



图5 天线回波损耗的仿真结果

利用矢量网络分析仪Agilent-E5071 B对加工后的天线模型进行了测试。天线回波损耗的实测和仿真结果对比如图6所示。天线回波损耗的实测与仿真结果基本吻合,之间的差异主要是在高频段,应该是由于加工误差和测量环境等引起的。测试结果表明,天线模型回波损耗<-10 dB的工作频带为2.3~2.50 GHz、3.17~4.11 CHz和4.82~7.14 GHz,满足2.4/5.2/5.8 GHz WLAN和3.5/5.5 GHz WiMax对工作带宽的基本要求。


图7 2.45 GHz、3.5GHz和5.5 GHz频点处的实测远场方向图

图7分别给出了2.45 GHz、3.5GHz和5.5 GHz频点处的实测远场方向图。在y-z平面内(E面),天线辐射方向图具有类似单极子天线的方向图;在x-y面(H面)内,天线辐射方向图接近全向。


图8 天线在工作频带内的实测增益曲线

图8给出了天线在工作频带内的实测增益曲线。如图所示,天线在2.45 GHz、3.5 GHz、5.5 GHz的峰值增益分别是2.12 dB、2.44 dB和3.44 dB,带内增益满足WLAN和WiMax通信的要求。

3 结束语

本文提出了一种小型化的用于WLAN/WiMax通信系统的多频带印刷单极子天线。利用双"G"形的辐射贴片,使得天线形成3个谐振频带,即2.4 GHz、3.5 GHz和5 GHz。实测结果表明天线满足2.4/5.2/5.8 CHzWLAN和3.5/5.5 GHz WiMax频带的阻抗带宽,并具有良好的全向辐射特性,该天线可以应用在无线多频带通信系统中。

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