唐雨竹，馬文英，魏耀華

(成都信息工程大學(xué) 通信工程學(xué)院，四川 成都610225)

一種地面開槽的雙頻寬頻單極子天線

唐雨竹，馬文英，魏耀華

(成都信息工程大學(xué) 通信工程學(xué)院，四川 成都610225)

針對無線通信應(yīng)用，設(shè)計(jì)了一種雙頻單極子天線，天線由共面波導(dǎo)饋電。天線的整體尺寸為30 mm×25 mm×0.8 mm，基板選用FR4。天線在平面單極子的基礎(chǔ)上，通過在共面波導(dǎo)地平面上開槽，實(shí)現(xiàn)了雙頻特性；同時(shí)采用具有漸變結(jié)構(gòu)的單極子貼片，實(shí)現(xiàn)了在較寬頻帶上良好的阻抗匹配。采用HFSS仿真軟件對天線進(jìn)行仿真，仿真結(jié)果表明：天線具有單極子天線的輻射特性，天線帶寬較寬，在3.01～6.1 GHz反射損耗小于-10 dB，相對帶寬達(dá)到了67.8%，工作頻段覆蓋了3.5/5.2/5.5/5.8 GHz頻段。天線具有較好的全向輻射方向圖和增益，其尺寸小、結(jié)構(gòu)簡單和易于加工，能夠廣泛用于WLAN和WiMAX通信系統(tǒng)中。

單極子天線；開槽；雙頻段；WLAN；WiMAX

0 引言

隨著通信技術(shù)的不斷進(jìn)步，各種通信方案層出不窮，其中WLAN和WiMAX是2種常用的無線局域網(wǎng)協(xié)議，具有較寬的帶寬，能夠提供高速的數(shù)據(jù)傳輸。因此研究一種能夠同時(shí)工作于WLAN和WiMAX頻段且?guī)捿^寬的多頻天線是十分必要的。

為了實(shí)現(xiàn)多頻，可以采用多枝技術(shù)結(jié)構(gòu)，這種結(jié)構(gòu)由于結(jié)構(gòu)簡單而被廣泛采用[1-2]。在單極子貼片上開縫，形成多個(gè)電流徑，每個(gè)電流徑也可以理解為一個(gè)枝節(jié)，也可以視為多枝結(jié)構(gòu)[3-4]。但在多枝結(jié)構(gòu)的天線中，三頻及以上的多枝節(jié)結(jié)構(gòu)的天線阻抗匹配設(shè)計(jì)較困難[5]。

此外，還可以采用多層結(jié)構(gòu)技術(shù)實(shí)現(xiàn)多頻設(shè)計(jì)，但是多層貼片增大了天線的體積和貼片的個(gè)數(shù)[6-7]。另外，采用開槽技術(shù)[8]、加載寄生單元[9]以及加載超材料也可以實(shí)現(xiàn)多頻天線的設(shè)計(jì)。其中加載超材料雖然較好地降低天線的尺寸，但一般存在著帶寬較窄，結(jié)構(gòu)復(fù)雜，多個(gè)諧振模式的諧振頻率難以調(diào)諧的問題[10-11]。

本文結(jié)合已有的研究，采取共面波導(dǎo)地面開縫結(jié)合單極子的方法，不僅實(shí)現(xiàn)了雙頻，而且天線設(shè)計(jì)較為簡單。

1 天線的結(jié)構(gòu)與設(shè)計(jì)

本文提出的天線結(jié)構(gòu)如圖1所示。

圖1 天線結(jié)構(gòu)圖

根據(jù)相關(guān)研究，本文涉及的單極子貼片長度應(yīng)該介于介質(zhì)基板中的1/4等效波長和在空氣中的1/4等效波長之間[12-13]，即13～21.5 mm。

通過單極子貼片底部對稱得切去2個(gè)直角三角形，形成漸變結(jié)構(gòu)，可以有效提高天線的工作帶寬。經(jīng)過仿真優(yōu)化，得到?jīng)]有地面開槽的S11曲線圖如圖2所示。由圖2可見，在沒有地面開槽時(shí)，單極子天線的-10 dB工作頻段約為3～6.4 GHz，頻段較寬，但是天線在5～6 GHz的阻抗匹配不是太好。為了使得天線形成第2個(gè)工作頻段。采用在共面波導(dǎo)地上開槽的方法，槽的設(shè)計(jì)過程如圖3所示。由圖3可見，共面波導(dǎo)的地面中彎折的槽使得天線對低頻和高頻都有較好的阻抗匹配。

圖2 沒有地面開槽的S11圖

圖3 不同開槽下S11曲線圖

2 參數(shù)分析與優(yōu)化

為了對天線的性能進(jìn)行優(yōu)化，一般需要對天線的各個(gè)主要參數(shù)進(jìn)行掃描和分析。首先對單極子貼片的尺寸變化對天線S11的影響進(jìn)行分析。圖4是單極子貼片長度l2對S11的影響。根據(jù)微帶天線的設(shè)計(jì)原理，輻射貼片的諧振頻率主要取決于其長度。如圖4所示，l2越大時(shí)，天線的2個(gè)諧振頻率逐漸變小，高頻的阻抗匹配逐漸變好，而低頻的阻抗匹配逐漸惡化。根據(jù)阻抗匹配和諧振頻率的情況，當(dāng)l2=20.5 mm時(shí)，天線的阻抗匹配和諧振頻率都較為適合。

圖4 單極子貼片長度l2對S11的影響

單極子貼片的寬度的變化會(huì)造成其阻抗的改變，因此也會(huì)對天線的諧振頻率產(chǎn)生影響，輻射貼片的寬度越寬，諧振頻率越小。如圖5所示，在貼片的寬度w從15 mm逐漸增加到17 mm的過程中，天線的高頻諧振頻率減小明顯，阻抗匹配也逐漸變好，低頻受到的影響微乎其微。因此，為了保證天線在高頻的工作頻段覆蓋5～6 GHz，且阻抗匹配較好，選取16 mm作為w的最優(yōu)值。

圖5 單極子貼片寬度w對S11的影響

共面波導(dǎo)的地平面的開槽使得天線在低頻和高頻的阻抗匹配都較好，從而形成2個(gè)諧振頻率和1個(gè)較寬的工作頻帶。為此，對槽的長寬進(jìn)行分析。

首先，對槽的寬度進(jìn)行分析。槽的寬度Ws1對S11的影響如圖6所示，隨著Ws1變大，天線的諧振頻率逐漸向高頻移動(dòng)，阻抗匹配也逐漸失配，故而Ws1=0.5 mm時(shí)天線的阻抗匹配最佳。槽寬度Ws2對于S11的影響如圖7所示。隨著Ws2的增大，天線的低頻諧振頻率向低頻移動(dòng)，高頻諧振諧振頻率向高頻移動(dòng)，阻抗匹配逐漸變好，選擇Ws2=1 mm作為最優(yōu)值。

圖6 槽的寬度Ws1變化對S11的影響

圖7 槽的寬度Ws2變化對S11的影響

此外，槽的長度對于地面電流的改變也是至關(guān)重要的因素。如圖8所示，槽的長度gl1從4 mm增加到6 mm的過程中，天線的2個(gè)諧振頻率不斷增大，阻抗匹配在gl1=5 mm時(shí)最佳。槽的長度gl2對于S11影響如圖9所示。gl2越大，低頻阻抗匹配越好，而高頻阻抗匹配越差。gl2選擇2～3 mm中的2.5 mm作為最優(yōu)值，以使得2個(gè)諧振頻率的阻抗匹配都較好。

圖8 槽的長度gl1變化對S11的影響

圖9 槽的長度gl2變化對S11的影響

綜上，槽的長寬對于天線2個(gè)諧振頻點(diǎn)的頻率和阻抗都具有影響，適當(dāng)調(diào)整槽的長寬，可以使天線的2個(gè)諧振點(diǎn)的頻率合適，阻抗匹配良好。

通過對天線的尺寸進(jìn)行設(shè)計(jì)和優(yōu)化，最終確定天線的尺寸參數(shù)如表1所示。

表1 天線結(jié)構(gòu)參數(shù)/mm

3 仿真及測試結(jié)果分析

圖10是天線的實(shí)物照片圖，圖11是天線的S11曲線圖，由圖可見，由于加工的精度不足，天線實(shí)測的工作頻段約為2.9～3.86 GHz與5.1～6.31 GHz，天線的諧振頻率有所偏移，3～4 GHz的阻抗匹配惡化，提高加工精度可能改善實(shí)測結(jié)果和仿真結(jié)果的吻合度。

圖10 天線實(shí)物照片圖

圖11 天線的S11曲線圖

由于條件的限制，沒有對天線遠(yuǎn)場的性能進(jìn)行測試，結(jié)合仿真結(jié)果對天線遠(yuǎn)場性能進(jìn)行分析。圖12為天線的在各個(gè)工作頻率下的遠(yuǎn)場方向圖，由于天線采用了對稱設(shè)計(jì)，因此方向圖也是對稱的。天線在E面的方向圖近似為8字形，H面為近似全向輻射。

圖12 輻射方向圖(仿真)

但隨著頻率的增高，天線在E面方向圖產(chǎn)生了畸變。這是由于地面彎折的開槽產(chǎn)生了與單極子貼片上方向相反的縱向輻射電流，其輻射電場在槽附近會(huì)與單極子貼片產(chǎn)生的輻射相互抵消，故而方向圖也隨之變化。

圖13給出了天線在工作頻段內(nèi)的增益仿真結(jié)果，由圖可見，天線在低頻(3.1～3.9 GHz)的最大增益約為1.72～2.17 dBi，在高頻(5.2～5.9 GHz)的最大增益約為3.5～3.83 dBi。

圖13 天線增益的仿真結(jié)果

4 結(jié)束語

仿真和實(shí)測結(jié)果表明，在共面波導(dǎo)地面開槽可以為天線帶來新的諧振頻率，諧振頻率的大小主要取決于槽的長度，該頻率下的阻抗匹配則主要取決于槽的寬度；而在單極子貼片下部采用漸變結(jié)構(gòu)可以有效地改善天線在較寬頻段上的阻抗匹配。本文的研究表明這2種結(jié)構(gòu)的結(jié)合，可以使得單極子天線具備2個(gè)工作頻段，且工作帶寬較寬。天線輻射特性和單極子天線基本相同，輻射增益較好。但天線在槽產(chǎn)生的諧振頻率附近輻射方向圖發(fā)生了畸變，這還需要進(jìn)一步研究和改進(jìn)。

[1] Tan M,Wang B.A Dual-Band Circularly Polarized Planar Monopole Antenna for WLAN/Wi-Fi Applications[J].IEEE Antennas & Wireless Propagation Letters,2016(15):670-673.

[2] He K,Wang R X,Wang Y F,et al.Compact Tri-Band Claw-Shaped Monopole Antenna for Wlan/wimax Applications[J].Journal of Electromagnetic Waves & Applications,2012,25(5):869-877.

[3] Wu M T,Chuang M L.Multibroadband Slotted Bow-Tie Monopole Antenna[J].IEEE Antennas & Wireless Propagation Letters,2015(14):887-890.

[4] Chen H,Yang X,Yin Y Z,et al.Triband Planar Monopole Antenna With Compact Radiator for WLAN/WiMAX Applications[J].Antennas & Wireless Propagation Letters IEEE,2013,12(12):1440-1443.

[5] 李建軍,于利娟,杜文權(quán).應(yīng)用于WLAN/WiMAX的三頻單極子天線設(shè)計(jì)[J].電子科技,2013,26(1):62-65.

[6] Falade O P,Rehman M U,Gao Y,et al.Single Feed Stacked Patch Circular Polarized Antenna for Triple Band GPS Receivers[J].IEEE Transactions on Antennas & Propagation,2012,60(10):4479-4484.

[7] Wang Z,Fang S,Fu S,et al.Dual-Band Probe-Fed Stacked Patch Antenna For Gnss Applications[J].IEEE Antennas & Wireless Propagation Letters,2009,8(4):100-103.

[8] Jagannath M,Machavaram V K.Metamaterial Inspired Patch Antenna with L-Shape Slot Loaded Ground Plane for Dual Band(Wimax/WLAN)Applications[J].Progress in Electromagnetics Research Letters,2012,31(31):35-43.

[9] Salvador C,Borselli L,Falciani A,et al.Dual Frequency Planar Antenna at S and X Bands[J].Electronics Letters,1995,31(20):1706-1707.

[10] Li X,Feng Q Y,Xiang Q Y.A Multiband Antenna Based on Mushroom Composite Right/Left-handed Transmission Line Structure[J].Piers Moscow Progress in Electromagnetics Research Symposium,2012,8411(1):582-585.

[11] Li H P,Wang G M,Gao X J,et al.CPW-Fed Multiband Monopole Antenna Loaded with DCRLH-TL Unit Cell[J].IEEE Antennas & Wireless Propagation Letters,2015(14):1243-1246.

[12] 鐘順時(shí).微帶天線理論與應(yīng)用[M].西安：西安電子科技大學(xué)出版社,1991.

[13] 褚慶昕,葉亮華.用于WLAN/WiMAX的雙頻緊湊型天線[J].電波科學(xué)學(xué)報(bào),2010(5):893-898.

[14] Chu Q X,Ye L H.Design of Compact Dual-Wideband Antenna With Assembled Monopoles[J].IEEE Transactions on Antennas & Propagation,2011,58(12):4063-4066.

A Novel Design of Dual-band Monopole with Slots on Ground Plane

TANG Yu-zhu,MA Wen-ying,WEI Yao-hua

(College of Communication Engineering,Chengdu University of Information Technology,Chengdu Sichuan 610225,China)

A novel dual-band monopole applied in wireless communication is developed,and the antenna is fed by CPW.The size of antenna is only 30 mm×25 mm×0.8 mm,and the substrate is FR4.The antenna is designed based on planar monopole,by adding slots in the ground of CPW,it can work in two bands,and the impedance matching is improved as tapered structure is added in the monopole patch.Numerical simulation on the characters of the antenna is performed with HFSS software.The simulation results demonstrate that the antenna has the radiation features similar to monopole,and has wider bandwidth,S11 is less than -10 dB within 3.01～6.1 GHz,the relative wideband of the antenna is 67.8%,and the operating frequency band can cover 3.5/5.2/5.5/5.8 GHz.Moreover,the antenna has omnidirectional radiation pattern and good radiation gain.It has small size and simple structure,and is easy to be fabricated.Therefore,the antenna can be widely used in WLAN and WiMAX communication system.

monopole;slot;dual band;WLAN;WiMAX

10.3969/j.issn.1003-3114.2017.01.18

唐雨竹，馬文英，魏耀華.一種地面開槽的雙頻寬頻單極子天線[J].無線電通信技術(shù),2016,43(1):73-76,88.

2016-09-20

唐雨竹(1990—)，男，碩士研究生，主要研究方向:天線與亞波長電磁結(jié)構(gòu)。馬文英(1984—)，女，副教授，主要研究方向:微電子與電磁結(jié)構(gòu)。魏耀華(1990—)，男，副教授，主要研究方向:傳感器與電磁結(jié)構(gòu)。

TN828.4

A

1003-3114(2017)01-73-4