一种应用于WLAN/WiMAX的三频双环印刷单极子天线

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1 引言

随着近年来无线通信技术的迅猛发展，特别是无线局域网（WLAN）和全球微波互联接入网络（WiMAX）的应用，更加要求能够提供多频段工作的新型小型化天线，这两个网络系统覆盖了2.4–2.484/5.15–5.35/ 5.725–5.825GHz及2.5–2.69/ 3.4–3.69/5.25–5.85 GHz。共面波导天线由于具备：低表面波损耗、易与集成微波电路集成、小体积等优点，使得其在现有的微波通信系统中得到了广泛的应用。近年来，国内外对WLAN和WiMAX天线已进行了广泛的研究。提出了一种应用于WLAN的双频宽带印刷单极子天线，但是它仅可以满足WLAN频段的要求。

本文介绍一个共面波导馈电的双环印刷单极子天线，如图1所示。它可以满足WLAN和WiMAX的频带覆盖要求。它直接印刷在介质板上，尺寸为26mm×36mm。天线的辐射部分主要由两个闭合的方环及一个倒T型的微带枝节组成。我们用Ansoff公司的仿真软件HFSS对这种天线进行了仿真和设计，然后加工出了天线实物，最后对天线实物进行了一系列参数的测量。通过测量结果和仿真结果的比较，验证了我们设计的可行性。

2 天线结构和设计

天线的结构标注如图1所示，整体尺寸为26mm×36mm。天线采用共面波导馈电，使得天线可以很容易地和集成微波电路集成在一起，馈线的宽度为3.3mm，和地板的间隙为0.4mm。介质板的介电常数为3.5，厚度为1.6mm。辐射部分由两个闭合的方环及一倒T型的微带枝节构成，大的方环的尺寸为20mm×15.5mm，决定了低端2.4GHz的工作频段，小的方环的尺寸为10mm×13mm，决定了高端3.5/5GHz的工作频段，通过加入倒T型的微带枝节，调整枝节的长度及宽度，可以使得天线在3.5/5GHz频段上获得良好的阻抗匹配特性，在此设计中，所有的天线辐射元的宽度都统一地设置为1mm。

图1 天线结构

图2 天线在各个频段上的电流分布

天线的多频工作原理可以从图2所示的各频段的电流分布看出。从图中可知，在2.4GHz低频段，天线电流主要集中在大的方环上，而在3.5/5GHz高频段，天线电流主要分布在小的方环及倒T型枝节上。

3 实验结果和分析

图3是该三频带WLAN/WiMAX印刷单极子天线的实物图。我们对加工出来的天线进行了一系列的实验参数测量。图4给出了天线回波损耗（S₁₁<-10dB）的仿真和实测结果的对比曲线。从图中可以看出，在2.4GHz频段，天线实测的频率范围为2.38-2.82GHz，其相对阻抗带宽为17.5%；在3.5/5GHz频段，实测的频率范围分别为3.32-3.88GHz和5.13-6.53GHz，相对阻抗带宽分别达到16%和25.5%,满足WLAN/WiMAX的覆盖要求。对比仿真结果和实测结果发现：在低频部分，两者吻合地比较好，在高频3.5/5GHz频段出现了稍微的偏差，分析原因在于介质板在高频时，其介电常数出现了偏移，并且加工的精度也带来了偏差。从整体上来看，两者的一致性还是很好的，说明了仿真的可行性。

图5，图6和图7为天线在2.4GHz，3.5GHz和5.5GHz时的天线各个平面的仿真和实测的方向图。可以看出，在三个频点上的辐射方向图都类似于全向性，在yoz平面，天线的辐射方向图更加接近于全向性。图8为天线的增益测量曲线图。