周成森

(合肥工業(yè)大學電子科學與應用物理學院，安徽合肥 230009)

近年來，隨著無線局域網(WLAN)的廣泛應用，人們隨時隨地都可以享受到便捷的無線通信。為了更大程度地滿足用戶的需求，新的無線局域網(WLAN)必須覆蓋2.4 GHz(2.4～2.484 GHz)、5.2 GHz(5.15～5.35 GHz)和5.8 GHz(5.725～5.825 GHz)這幾個頻段，這對天線工程師提出了新的要求。國內外已經對此進行了大量研究［1－7］。文獻［1］提出了一種半 U型開槽疊層寬帶微帶天線。這種天線結構簡單并可覆蓋5.2 GHz和5.8 GHz的頻帶，但無法滿足IEEE802.11b在2.4 GHz頻段上使用要求。而利用共面波導饋電的終端開路的矩形環(huán)單極子天線同樣是結構簡單，但在5.8 GHz的頻段上有所不足［2］。文獻［3］提出了一種E形微帶貼片和一個偶極子組成的天線。該天線雖然可以在兩個頻段內工作，但在2.4 GHz的頻帶內－10 dB阻抗帶寬不足以完全覆蓋2.400～2.484 GHz的頻率范圍。文獻［4］提出一種G型單極子天線可滿足帶寬的需要，但11個自由量較多，使得天線設計較為復雜。文獻［5］中的平板單極子天線利用一片有切角的矩形單極子實現(xiàn)了完全覆蓋WLAN的所需范圍，結構簡單，然而面積過大。同時微波存取全球互通(WiMAX)所用的3.3～3.6 GHz處于WLAN的頻段之間。為達到陷波的效果，可在一個超寬帶單極子天線中加入微帶線以起到頻段阻斷的作用［6］。或者在共面波導的超寬帶單極子上開C型槽起到頻帶阻斷的作用［7］。然而這些設計同時也增加了天線系統(tǒng)的復雜性。W.C.Liu提出了一種結構簡單的雙頻CPW天線［8］。

基于共面波導(CPW)的研究［8－10］，文中提出了一種具有共面波導結構的反C型單極子雙頻天線。通過對天線的仿真優(yōu)化，可以看出天線具有體積小、結構簡單的特點，且能同時工作在無線局域網的多個頻段上。

1 天線設計

天線結構如圖1所示。圖中該天線是一個有缺口的環(huán)形單極子。環(huán)形單極子底部一邊采用漸變結構［7］，這種結構使得天線從一個諧振頻率平坦地過渡到另一個諧振頻率上，從而實現(xiàn)單極子天線在較寬的頻帶上實現(xiàn)阻抗匹配。整個天線如同一只扳手，而其上部結構如同一個顛倒的字母C。C型結構的兩臂分別產生一個諧振頻率。該天線可看作一個長為(L1+T+L2)，寬為(W1+W2+W3)環(huán)形單極子減去左上角的部分所形成的。天線采用共面波導饋電，特征阻抗為50 Ω，微帶饋線寬度Wf，饋線和地板之間的縫隙寬度為g。地板的長寬分別為L，W。

圖1 天線的幾何結構

天線設計在一塊相對介電常數(shù)為4.4，厚度為1.6 mm的FR4介質基板上。天線總尺寸為36 mm×28.6 mm×1.6 mm。天線分別諧振在2.5 GHz和5.5 GHz，并覆蓋了 IEEE 802.11a/b/g中所規(guī)定的WLAN的工作波段。

2 仿真結果和分析

利用Ansoft HFSS進行優(yōu)化，可得到較好的天線性能。天線的幾何參數(shù)如下:Wf=3 mm，g=0.5 mm，L=17 mm，W=1 mm，Ls=36 mm，Ws=28.6 mm，L1=1.5 mm，T=1.5 mm，W1=14.5mm，L2=12 mm，W2=0.5 mm，L3=5.5 mm，W3=1 mm，L4=9 mm，W4=0.5 mm，L5=2 mm。Wf、g 分別取3 mm，1 mm 使得天線的CPW傳輸線的阻抗為50 Ω。通過HFSS仿真得到天線的S11仿真結果，如圖2所示?？煽闯鎏炀€獲得－10 dB回波損耗的兩個頻段，分別是低頻段2.35～2.62 GHz和高頻段4.25～6.30 GHz。這兩個頻段覆蓋了IEEE 802.11a/b/g，并避開了WiMax的頻段。令天線的兩個諧振頻率分別為f1，f2(f1低于f2)。

圖2 仿真得到的S11曲線

在天線的其他參數(shù)不變的情況下，幾個重要參數(shù)分別改變對天線的影響。圖3所示的是L3的變化對于天線性能的影響。在天線其他參數(shù)不變的情況下，隨著L3的增大，高頻部分的有效帶寬從無到有，并且?guī)捴饾u增大。從圖中可以看出當L3小于一定的長度時，天線就無法覆蓋 5.15～5.35 GHz，5.725～5.825 GHz這兩個WLAN所需的頻段。L3改變同時也會對低頻部分產生影響。當L3增大時，低頻部分的帶寬逐漸減小，f1平移到更低的頻率上。所以在權衡高低頻帶寬時，L3的長度選為5.5 mm。

圖3 短臂長度L3對S11的影響

圖4是L4對回波損耗的影響。可以看出L4的變化對高低頻都有影響，隨著L4的增加，f1，f2向更低的頻率移動，帶寬都在減小。說明隨著L4的增加，天線阻抗匹配情況越來越差。

圖4 L4對S11的影響

由圖5可以看出天線邊緣到基板邊緣的距離對天線的阻抗帶寬有較大影響，屬于敏感參數(shù)。隨著L5減小，天線的阻抗帶寬在低頻略有增加，同時中心頻率向高頻方向偏移;而同時天線高頻部分的帶寬減小，中心頻率也向更高頻方向偏移。設計時需根據實際需要，確定天線基板的長度。

圖6表示該天線在2.5 GHz和5.4 GHz頻點上的E面、H面方向圖。天線E面方向圖在2.5 GHz處呈類似偶極子的啞鈴型，而在5.4 GHz處卻變得更像全向天線。而天線H面一直具有較好的全向性。

3 結束語

介紹了一種雙頻單極子天線。該天線在CPW結構上利用其兩臂來產生兩個不同的諧振頻率(2.35～2.61 GHz和4.69～6.46 GHz)，且兩個諧振點的位置和帶寬都符合WLAN的設計要求。該天線體積比文獻［8］中天線的體積減小了17.1%。同時該天線具有雙頻帶的特點，結構簡單、剖面低、易和電路集成、成本低，可以應用于WLAN系統(tǒng)中。

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