应用于WLAN／WiMAX的三频单极子天线设计

随着现代无线通信技术的迅速发展，无线局域网（Wireless Local Area Networks，WLAN）得到广泛应用。WLAN是利用无线通信技术在空中传输数据、话音和视频信号，使用户可以随时随地地交换信息。全球微波互联接入（Worldwide Interoperability for MicrowaveAccess，WiMAX）是一项新兴的宽带无线接入技术，能提供面向互联网的高速连接，数据传输距离最远可达50 km.目前的WLAN主要工作在2.45 GHz（2.4～2.484 GHz）、5.2 GHz（5.15～5.35 GHz）和5.8 GHz（5.725～5.825 GHz），而WiMAX工作在2.5 GHz（2.5～2.69 GHz）、3.5 GHz（3.4～3.69 GHz）和5.5 GHz（5.25～5.85 GHz）。

在无线通信领域中，对微带天线的一些如多频段、低成本、小型化和易于加工的实际需要引起了人们的广泛关注。常见的小型化多频天线结构是基于倒F天线的-些变形，这些设计利用倒F天线的小型化和低剖面优势，通过开槽、增加支节等方法实现多频谐振。然而为实现多频工作，引入的结构往往比较复杂。基于此，文中设计了一种可同时工作于WLAN（2.4 GHz与5.8 GHz）和WiMAX（3.5 GHz）3个频段的微带天线。该天线通过3个L型微带结构1/4波长单极子的组合，实现了三频带的工作。天线几何结构简单，介质板采用1.52 mm的Rogers R04003，便于和微波集成电路实现集成化设计。

1天线的结构设计

（1）微带贴片天线多频段方法。从实现双频或多频段工作的贴片结构以及基板等物理结构上来分类，实现双频或者多频的基本方式主要有以下几种：1）采用单一贴片，利用几种不同的自然模式来实现双频或者多频工作。2）采用单一贴片，通过加载或者开槽的方法改变贴片各种自然模式的场分布，从而使谐振频率受到干扰，最终实现双频或者多频工作。3）采用单层基板、多个贴片的结构。如采用谐振频率不同的贴片形成多谐振的特性；也可以采用多个辐射单元构成多频点谐振的微带天线等。4）采用多层重叠贴片结构。如利用多层贴片结构形成多个谐振器，从而产生多频段工作特性；采用多层贴片重叠，各自馈电的圆形贴片结构得到具有双频段工作特性的微带天线等。针对上面的微带贴片天线多频段的理论方法，文中采用单层基板、多个贴片的结构使天线多频段工作。

（2）微带结构1/4波长单极子天线。1/4波长单极子天线是将偶极子天线利用镜像法，引入接地面后得到的，与偶极子天线相比，1/4波长单极子天线因为引入了接地面，电磁波只在接地面上方有辐射功率，从而使辐射功率只有半波偶极子的1/2.然而1/4波长偶极子天线方向性系数与半波偶极子天线均为2.15 dB.可以利用如图1（a）所示的微带线结构实现1/4波长单极子天线，为进一步缩小天线的几何尺寸，还可以将天线折成如图1（b）所示的L形结构。当天线工作于中心频率为2.4 GHz、3.5 GHz和5.8 GHz频段时，这3个中心频率的电磁波在自由空间中对应的1/4波长分别约为31mm、21mm和13 mm；若电磁波在全部填充相对介电常数为3.38的Rogers R04003介质中传播，对应的1/4波长分别约为15 mm、10 mm和3 mm.对于2.4GHz的中心频率，若采用自由空间波长，则1/4波长单极子天线的长度为31mm；若采用介质中的波长，则1/4波长单极子天线的长度为15mm.对于PCB板上的微带单极子天线，波的传播既经过介质又经过自由空间，因此实际波长应该介于介质的导波波长和自由空间的工作波长，从而得到2.4 GHz工作频段的1/4波长单极子天线的长度应该介于15～31 mm.同理，可得到3.5 Gz工作频率的1/4波长单极子天线的长度介于10～21mm，5.8 GHz工作频率盼1/4波长单极子天线的长度介于3～13 mm.通过调整微带馈线的位置实现其与天线的阻抗匹配。

（3）三频单极子天线结构设计。按照微带结构1/4波长单极子天线的设计方法，设计了如图2所示结构的三频单极子天线。天线的结构大致分为6个部分：介质层、L型高频（5.8 GHz）单极子天线、L型中频（3.5 GHz）单极子天线、L型低频（2.4 GHz）单极子天线、微带馈线和参考地。介质层的材料使用Rogers R04003，相对介电常数为3.38，介质层的上表面是微带馈线和L型单极子天线，结构如图2所示。通过调节介质层上表面3个L型结构单极子天线的长度，可以得到所要求的天线谐振频率。其中左侧的L型结构是中频单极子天线，工作于3.5 GHz频段；中间的L型单极子天线是高频单极子天线，工作于5.8 GHz频段；右边的L型单极子天线是低频单极子天线，工作于2.4 GHz频段。介质层下表面是L型单极子天线的参考地，结构如图2（b）所示。根据偶极子天线和单极子天线的原理和高频结构仿真软件HFSS对所设计的天线进行仿真优化，