一种应用于WLAN/WiMAX的 三频双环印刷单极子天线

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。

图3 天线实物图

图4 天线回波损耗的仿真和实测值对比曲线

(a) xoy 面

(b) xoz面

(c) yoz面

图5 天线2.4GHz时的辐射方向图

(a) xoy 面

(b) xoz面

(c) yoz面

图6 天线3.5GHz时的辐射方向图

xoy面

(b) xoz面

(c) yoz面

图7 天线5.5GHz时的辐射方向

图8 天线增益频响曲线

4 结论

本文设计并实测了一个共面波导馈电的小型化三频带双环印刷单极子天线。该天线具有结构尺寸小、低成本、低剖面、易集成等特点。另外实测结果表明，该天线覆盖了WLAN/WiMAX频段，且辐射方向图满足全向性要求。由于仿真和实测结果一致，所以该天线可以应用于WLAN/WiMAX无线通信系统。