一種多頻帶印刷單極子天線的設(shè)計

摘要 提出了一種小型化的用于WLAN/WiMax通信系統(tǒng)的多頻帶印刷單極子天線。通過改進雙“G”形的振子結(jié)構(gòu)，使天線能在2.4 GHz，3.5 GHz和5.5 GHz諧振，實現(xiàn)2.4/5.2/5.8 GHz wLAN和3.5/5.5 GHz WiMax頻帶的覆蓋。對加工后的天線模型測試表明，天線在工作頻帶內(nèi)具有較寬的阻抗帶寬和較好的輻射特性。因此，該天線可以應(yīng)用在多頻帶無線通信系統(tǒng)中。

關(guān)鍵詞 多頻帶;單板子天線;WLAN;WiMax

隨著通信容量和信息傳輸速率的不斷提高，人們對通信技術(shù)的發(fā)展和進步提出了更多、更高的要求。而天線是移動通信系統(tǒng)中不可或缺的關(guān)鍵部件，已成為通信終端中的重要部件。

現(xiàn)今的無線通信設(shè)備種類繁多，集成了多種系統(tǒng)模塊，并能穩(wěn)定、高效地工作。因此，如何使終端天線能夠在這些網(wǎng)絡(luò)頻帶范圍內(nèi)工作，減少天線間的干擾，降低制作成本，實現(xiàn)多系統(tǒng)共用以及收發(fā)共用成為主要研究方向。

本文提出了一種可用于WLAN和WiMax無線通信系統(tǒng)的三頻帶印刷單極子天線。通過在微帶板上蝕刻的雙“G”形輻射貼片，使得天線覆蓋2.4/5.2/5.8 GHz WLAN和3.5/5.5 GHz WiMax頻帶，并在帶內(nèi)具有較好的全向輻射特性。

1 天線的設(shè)計與結(jié)構(gòu)

三頻帶印刷單極子天線的結(jié)構(gòu)如圖1所示。天線印刷在相對介電常數(shù)為4.4，厚度為1 mm的FR4介質(zhì)基板上，整體尺寸為37 mm×18 mm。饋電部分是50 Ω的微帶線，其中微帶線寬度為2 mm，并與SMA型同軸連接器相連。天線正面是對稱的雙“G”形輻射貼片，背面全部為介質(zhì)。通過調(diào)節(jié)輻射貼片臂B1、B2、B3的長度，可使得天線工作在2.4/5.2/5.8 GHz WLAN和5.5 GHz WiMax頻帶。同時，為使得天線獲得較好的輻射性能和增益，天線輻射貼片的臂均為完全對稱結(jié)構(gòu)。

為考察結(jié)構(gòu)尺寸對天線電性能的影響，采用AnsoftHFSS V13對設(shè)計的天線進行了仿真，經(jīng)過加工調(diào)試，天線的尺寸如下：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 結(jié)果分析

圖2～圖4分別給出了參數(shù)L2、L3和L5取不同值時，天線回波損耗的仿真結(jié)果，可以看出分別調(diào)節(jié)雙“G”形輻射貼片的臂長即更改參數(shù)L2、L3和L5的取值可以改變天線相對應(yīng)諧振頻帶的位置，且基本不會影響其他頻段的工作帶寬。因此，通過調(diào)節(jié)輻射貼片的臂長，可以使得天線覆蓋2.4/5.2/5.8 GHz WLAN和3.5/5.5 GHz WiMax頻帶。

為驗證輻射貼片對天線性能的影響，圖5給出了包含不同輻射貼片臂時，天線回波損耗的仿真結(jié)果?？梢钥闯?，引入3個輻射貼片臂后，天線可以獲得3個工作頻帶，并且不同臂彼此之間影響比較小。

利用矢量網(wǎng)絡(luò)分析儀Agilent—E5071 B對加工后的天線模型進行了測試。天線回波損耗的實測和仿真結(jié)果對比如圖6所示。天線回波損耗的實測與仿真結(jié)果基本吻合，之間的差異主要是在高頻段，應(yīng)該是由于加工誤差和測量環(huán)境等引起的。測試結(jié)果表明，天線模型回波損耗-10 dB的工作頻帶為2.3～2.50 GHz、3.17～4.11 CHz和4.82～7.14 GHz，滿足2.4/5.2/5.8 GHz WLAN和3.5/5.5 GHz WiMax對工作帶寬的基本要求。

圖7分別給出了2.45 GHz、3.5GHz和5.5 GHz頻點處的實測遠場方向圖。在y-z平面內(nèi)(E面)，天線輻射方向圖具有類似單極子天線的方向圖;在x-y面(H面)內(nèi)，天線輻射方向圖接近全向。

圖8給出了天線在工作頻帶內(nèi)的實測增益曲線。如圖所示，天線在2.45 GHz、3.5 GHz、5.5 GHz的峰值增益分別是2.12 dB、2.44 dB和3.44 dB，帶內(nèi)增益滿足WLAN和WiMax通信的要求。

3 結(jié)束語

本文提出了一種小型化的用于WLAN/WiMax通信系統(tǒng)的多頻帶印刷單極子天線。利用雙“G”形的輻射貼片，使得天線形成3個諧振頻帶，即2.4 GHz、3.5 GHz和5 GHz。實測結(jié)果表明天線滿足2.4/5.2/5.8 CHzWLAN和3.5/5.5 GHz WiMax頻帶的阻抗帶寬，并具有良好的全向輻射特性，該天線可以應(yīng)用在無線多頻帶通信系統(tǒng)中。