應用于WiFi/WiMAX的三頻超介質加載天線

廖 俊

（桂林電子科技大學 信息與通信學院，廣西 桂林 541004）

0 引言

隨著 WiFi（2.40～2.48 GHz，5.15～5.80 GHz）以及WiMAX（3.30～3.80 GHz）標準的提出，無線局域網（WLAN）通信技術迅猛發展。為了滿足多種無線通信標準的要求，如何設計出兼具小型化、多頻帶特點的寬帶天線是一個技術難點。彎折線結構是比較傳統的實現天線小型化和寬帶寬性能的手段之一[1-2]。為了進一步改善彎折線天線的性能，學者們提出了許多改進的彎折線結構，如不均勻彎折線[3]，3D彎折線天線[4]等。隨著研究的深入，超介質因其新穎的特性和廣闊的潛力吸引了國內外學者的注意，其中負折射率傳輸線超介質[5]在眾多新興天線設計中因其獨特的超介質特點獨占優勢。在這之中最值得注意的有緊湊型多帶寬貼片天線[6]、垂直極化的彎折型偶極子[7]、寬帶雙模單極子天線[8]等。

本論文旨在設計一種三工作頻段、低成本、能夠同時支持WiFi頻段以及WiMAX頻段的天線。根據超介質理論中負折射率傳輸線的工作原理，超介質加載的天線在2.45 GHz和5.5 GHz時呈現明顯的偶模電流，這使得天線類似折合單極子工作。在3.55 GHz左右，超介質加載結構形成共面波導CPW接地面電流的巴倫，致使整個接地面的頂部邊緣成為主要輻射體，呈偶極子模式輻射。同時背部矩形貼片的加入能改善天線的阻抗帶寬和輻射性能。按照仿真優化的尺寸參數制作了天線實物，測試結果表明該天線能很好地應用于三工作頻段的WLAN。

1 天線結構等效電路分析

鑒于單純的彎折線單極子天線不能滿足WLAN的應用要求，這里通過超介質加載技術增加天線的諧振點，拓寬天線工作頻帶。本論文天線結構如圖1所示，由不均勻彎折線單極子、共面波導和負折射率傳輸線超介質結構組成，通過SMA連接頭采用共面波導饋電，所用的FR4基板厚度為T=1.59 mm，相對介電常數εr=4.9。

該超介質加載天線采用了一種不對稱形式，可等效為π形負折射率傳輸線單元。圖2給出了等效電路示意圖，其中串聯電容C′由基本正面的彎折線單極子和基板背面的矩形貼片耦合而成，并聯電感L1為彎折線單極子的基部形成，并聯電感L2由基板背面的細長金屬條和連接共面波導接地面和背面矩形貼片的過孔共同組成。天線的幾何尺寸決定了C′，L1和L2的取值，也就是說矩形貼片、單極子、細長金屬條的尺寸是影響天線工作性能的重要參數，通過調節設定合適的參數，可以得到同相電流，這樣就保證了負折射率傳輸線超介質結構的反向波對輸入信號產生相移，構成緊湊型折合單極子結構。

實際上，通過合理設置天線尺寸參數獲得合適的C′，L1和L2的取值，當滿足阻抗匹配條件（見式（1））時可使π形結構的相移趨于0。

文獻[9]給出的公式能夠得出π形結構的相移

可以把式（2）所示相移看作兩部分，一部分相移ΨT由主體傳輸線產生，另一部分相移ΨB由串聯電容和并聯電感形成的反向波產生。當ΨB調節到一個適合的相位值時，Ψeff=0，天線產生一個諧振點，工作頻帶得以拓寬。

2 仿真分析與實測結果

根據上述理論，調節合適的C′，L1和L2的取值，重點研究了矩形貼片、單極子、細長金屬條的尺寸參數對天線工作性能的影響。通過調節不均勻彎折線各部分的長度和寬度來獲得WiFi頻段內的兩個諧振點，彎折線總長度約為66 mm，略小于2.45 GHz頻率點的1/2波長。彎折線單極子尺寸為S=1 mm，W=1 mm，D1=6 mm，W1=3 mm，D2=6 mm，W2=1 mm，D3=6.5 mm，W3=2.5 mm。通過CST仿真軟件建立天線模型，進行仿真優化，并通過制作實物進行測試，測試曲線與仿真曲線相仿，從而驗證了本論文設計天線的可行性，天線最終優化參數見表1。

表1 設計天線主要指標 mm

2.1 天線|S1,1|曲線分析

本論文天線針對WiFi頻段以及WiMAX頻段而設計，參考文獻中不均勻彎折線單極子結構初步獲得WiFi頻段的兩個諧振點，固定單極子尺寸，調節天線其他尺寸參數，拓寬天線工作帶寬，使整個天線系統達到更好的阻抗匹配，優化天線性能。超介質加載是獲得WiMAX工作頻段的主要因素，并且明顯改善了單極子高頻段的諧振特性。

通過第1節所述分析，使超介質π形結構在3 GHz頻段的相移Ψeff產生一個零值，初步得到一個諧振點，便可以通過調節共面波導接地面的尺寸參數在3 GHz頻段獲得良好的諧振特性。以下利用CST Microwave Studio仿真軟件進一步分析接地面寬度GW和接地面長度GL對天線性能的影響。圖5給出了在不同接地面寬度GW取值下天線的回撥損耗曲線，接地面寬度GW對3 GHz頻段的諧振點影響較大，隨著GW的增大，3 GHz頻段的諧振特性變差，諧振點逐漸向低頻漂移，而低端和高端的諧振點移動卻不明顯。圖6展示了不同接地面長度GL取值對天線回波損耗的影響，接地面長度GL可以調節天線系統的整個工作頻段的諧振特性，經軟件仿真優化發現當GL取11 mm時，天線系統諧振特性最好，獲得適于WiFi頻段以及WiMAX頻段工作的阻抗匹配帶寬。

2.2 天線表面電流分布及輻射方向圖

如圖7a，7c所示，超介質加載天線的三工作頻段可由其在每個諧振點的表面電流分布來解釋。通過CST Microwave Studio仿真觀察到，在2.45 GHz與5.5 GHz處天線流過彎折線單極子的電流與流過背面感性細金屬線的電流是同相的，這樣超介質加載結構就形成了一個雙臂的折合單極子，另外在兩接地面頂部邊緣的異相電流形成平衡共面波導模式，這些電流對天線輻射不做貢獻，因此在這兩個頻點處沿x軸方向的彎折線單極子與超介質加載背部耦合片作為主要輻射體向外輻射電磁波。

與上述情況不同的是，在3.55 GHz處天線不再作為折合單極子輻射工作，而是沿y軸的類似偶極子工作模式。如圖7b所示，在兩接地面頂部邊緣的同相電流使兩接地面成為了此頻率點的主要輻射元件，此時天線的諧振點便與接地面寬度GW有關，與圖5的仿真結果吻合。

基于上述原理，天線在2.45 GHz，5.5 GHz與3.55 GHz的E面方向圖或H面方向圖是不同的方位面。在2.45 GHz與5.5 GHz處，天線E面方向圖在x-z平面，H面方向圖在x-y平面；在3.55 GHz處，天線E面方向圖在y-z平面，H面方向圖在x-z平面。天線在此3個頻點的增益值分別是2.45 GHz的2.24 dBi，3.55 GHz的2.47 dBi和5.5 GHz的3.24 dBi，輻射效率均在85%左右。從圖8的天線輻射方向圖可以看出，天線具有良好的全向輻射特性，這與前面所述天線表面電流分布情況相吻合。而在3.55 GHz頻點，超介質加載滿足阻抗匹配條件（式（1）），產生零相移，展現超介質特性，由于天線的不對稱π形結構使得此時天線E面方向圖也為不對稱圖形。

3 小結

本文設計并測試了一種適用于WiFi及WiMAX頻段的超介質加載三頻段貼片天線，利用負折射率傳輸線π形超介質結構在所需頻率點獲得零相移，增加天線諧振頻率點，拓寬工作帶寬，使天線恰好覆蓋所需工作頻段，|S1,1|曲線在 2.40～2.48 GHz，3.30～3.80 GHz和 5.15～5.80 GHz均小于-10 dB，并且具有較高的輻射效率。測試結果與仿真結果吻合良好，證明了該超介質加載天線的可行性。該天線結構緊湊，體積小，成本低，易于制作，三頻段內較高的輻射效率使其能很好地應用于WLAN，具有廣泛的應用潛力。

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