WLAN和WiMAX的雙頻組合 天線的寬頻帶小型化設(shè)計(jì)
1 引言
隨著無(wú)線通信技術(shù)的迅速發(fā)展,低成本、小型化、易制作的多頻天線已經(jīng)成為了現(xiàn)代無(wú)線通信系統(tǒng)中的重要的組成部分,并引起了人們的廣泛關(guān)注。中提出的四種雙頻組合天線的帶寬較窄,且尺寸較大;文獻(xiàn)[5-6]研究了多頻縫隙天線的設(shè)計(jì),通過(guò)縫隙極子天線和微帶線的不同組合來(lái)實(shí)現(xiàn)多頻特性,但這類天線的尺寸同樣比較大,且高頻方向圖的全向性不好;微帶天線通過(guò)縫隙加載技術(shù)也能實(shí)現(xiàn)多頻天線的設(shè)計(jì)[7-8],但需要短路針與地板相連接,使得天線結(jié)構(gòu)復(fù)雜,加工困難。
中提出了一種終端開(kāi)路的矩形環(huán)極子雙頻天線,但該天線的高頻帶寬太窄,不能覆蓋WLAN 5.8GHz工作頻段,而且高頻段的方向圖有所失真;為了增加天線的帶寬,文獻(xiàn)[10]提出了一終端加載的矩形環(huán)極子雙頻天線,通過(guò)在環(huán)終端加載一微帶線實(shí)現(xiàn)高頻段寬頻化設(shè)計(jì),但該天線不能工作WiMAX3.5GHz 頻段。
為了進(jìn)一步增加天線的帶寬,使天線能工作在WLAN 2.4/5.2/5.8GHz和WiMAX 2.5/3.5/5.5 GHz的全部頻段,同時(shí)又能實(shí)現(xiàn)天線的小型化設(shè)計(jì),本文提出了一種矩形環(huán)極子和I形極子組合的雙頻天線結(jié)構(gòu)。該天線由I形極子和環(huán)形極子輻射產(chǎn)生高低頻段,并實(shí)現(xiàn)雙頻寬頻帶特性。該天線不僅能應(yīng)用在WLAN通信終端設(shè)備,還能工作在WiMAX終端設(shè)備,與文獻(xiàn)[1-10]中的天線相比較,具有明顯的優(yōu)勢(shì)。
2 天線設(shè)計(jì)
天線的結(jié)構(gòu)示意圖如圖1所示。該天線由一環(huán)形極子和I形極子組合而成,印制在一塊厚度為1.6mm、相對(duì)介電常數(shù)為4.4 的FR4印刷電路基板上。矩形環(huán)的尺寸為W1×L1、厚度為W3,I形極子的長(zhǎng)度為S+S1+L2、寬度為W2,I形極子和環(huán)形極子的長(zhǎng)度分別約為高低諧振頻率對(duì)應(yīng)的1/4波長(zhǎng)。該雙頻天線由共面波導(dǎo)饋電,50om微帶饋線的寬度為Wf ,與地板之間的縫隙為g,兩矩形地板的長(zhǎng)為L(zhǎng)、寬為W,并分布在饋線的兩邊。
圖1 天線結(jié)構(gòu)圖
圖2 各天線的回波損耗(天線的尺寸為:L =16 mm, W=14 mm, Wf =2.5 mm, g=1 mm, S= 4 mm, S1=2.1 mm, L1 =19 mm, L2 =7.5 mm, W1 =11.5 mm, W2 =4.5 mm, W3 =2 mm, g1=1.5 mm)
在天線的設(shè)計(jì)過(guò)程中,首先應(yīng)用仿真軟件HFSS對(duì)天線進(jìn)行初始化設(shè)計(jì),先調(diào)整環(huán)形極子天線的參數(shù)使其工作在低頻段,再在環(huán)形極子內(nèi)嵌入I形極子天線,調(diào)增相應(yīng)的設(shè)計(jì)參數(shù),產(chǎn)生雙頻寬頻特性。天線的設(shè)計(jì)參數(shù)和仿真的回波損耗由圖2所示,從圖2中可以看出,環(huán)形極子產(chǎn)生低頻頻段,I形極子產(chǎn)生高頻頻段;環(huán)形極子的長(zhǎng)度S+L1為諧振頻率2.9 GHz對(duì)應(yīng)波長(zhǎng)的0.18倍,而I形極子的長(zhǎng)度為諧振頻率5.2GHz對(duì)應(yīng)波長(zhǎng)的0.24倍。
3 試驗(yàn)結(jié)果與分析
為了驗(yàn)證該組合雙頻天線設(shè)計(jì)方法的有效性,基于圖2中給出的天線尺寸,我們加工了一天線樣品,樣品天線的照片見(jiàn)圖3。天線仿真和實(shí)測(cè)的回波損耗見(jiàn)圖4。從圖中可以看出,天線實(shí)測(cè)的高低頻段的10dB 阻抗帶寬分別為46.3% (2.36-3.78 GHz)和31.4% (5.1-7 GHz),能覆蓋WLAN 2.4/5.2/5.8 GHz和WiMAX 2.5/3.5/5.5 GHz 工作頻段,仿真的回波損耗和實(shí)測(cè)的結(jié)果基本吻合。
圖3 天線照片
圖4 實(shí)測(cè)的回波損耗
天線仿真的電流分布見(jiàn)圖5。從圖5(a)中可以看出,大部分電流集中在環(huán)形天線上,激勵(lì)產(chǎn)生低頻諧振;從圖5(b)中可以看出,電流集中在I形天線上,激勵(lì)產(chǎn)生高頻諧振。也就是說(shuō),環(huán)形天線諧振產(chǎn)生低頻頻段,而I形極子諧振產(chǎn)生高頻頻段。
(a) 2.9GHz
( b) 5.4GHz
圖5 在高低頻諧振頻率的電流分布圖
(a)
(b)
(c)
圖6 天線方向圖
圖7 天線增益
由于在各頻段的方向圖變化不大,我們測(cè)量了2.5 GHz、3.5 GHz和5.5 GHz時(shí)各坐標(biāo)平面的方向圖,如圖6所示,這些方向圖與偶極子天線的方向圖基本相似。該天線在2.3–3.8 GHz and 5–6 GHz頻段的增益分別從2.7到3.4dBi和2.5–4.1dBi,如圖7所示。
4 結(jié)束語(yǔ)
本文提出了一種矩形環(huán)形極子與I形極子組合雙頻天線,該天線的結(jié)構(gòu)簡(jiǎn)單、制造容易,并且在每個(gè)頻段都實(shí)現(xiàn)了寬頻帶設(shè)計(jì)。該天線不僅能應(yīng)用在WLAN通信終端設(shè)備,還能工作在WiMAX終端設(shè)備,具有良好的應(yīng)用價(jià)值。
評(píng)論