一種用于WLAN/WiMAX的寬帶雙頻天線

龔龍艷等

摘 要： 提出一種新型的適用于WLAN/WiMAX的寬帶雙頻天線。通過(guò)在矩形輻射貼片上開(kāi)對(duì)稱的倒F型槽以及在背面接地板上開(kāi)對(duì)稱的L型槽的方式，該天線具有較好的寬帶雙頻特性。實(shí)測(cè)天線的阻抗帶寬為700 MHz（3.2～3.9 GHz）和1.5 GHz（4.8～6.3 GHz），可以同時(shí)覆蓋3.5 GHz WiMAX和5.2/5.8 GHz WLAN頻帶。該天線在雙頻工作點(diǎn)上的最大增益分別為2.508 dBi和3.645 dBi，且具有較好的全向輻射特性，結(jié)果表明該設(shè)計(jì)方法的有效性。

關(guān)鍵詞： 寬帶雙頻； 全向天線； WLAN； WiMAX

中圖分類號(hào)： TN82?34 文獻(xiàn)標(biāo)識(shí)碼： A 文章編號(hào)： 1004?373X（2015）21?0080?03

Dual?frequency broadband antenna applied to WLAN/WiMAX

GONG Longyan1， ZHANG Yang2， ZHAO Guanglei1

（1. College of Electronics and Information Engineering， Sichuan University， Chengdu 610065， China；2. Three Gorges Hydropower Plant， Yichang 443002， China）

Abstract： A new dual?frequency broadband antenna applied to WLAN/WiMAX is proposed. By using the ways of slotting symmetrical inverted F?shape notch in the rectangle radiation patch and symmetrical L?shape notch on the reverse?side earth plate， this antenna has better dual?frequency broadband characteristics. The impedance bandwidth of the actual measurement antenna are 700 MHz （3.2～3.9 GHz） and 1.5 GHz （4.8～6.3 GHz）， and can cover the bands of 3.5 GHz WiMAX and 5.2/5.8 GHz WLAN. The maximum gain of the antenna at the dual?frequency working point are 2.508 dBi and 3.645 dBi respectively. This antenna has good omnidirectional radiation characteristics. The test results show that the design method is valid.

Keywords： dual?frequency broadband； omnidirectional antenna； WLAN； WiMAX

0 引 言

近年來(lái)，隨著現(xiàn)代通信技術(shù)的快速發(fā)展，無(wú)線通信設(shè)備越來(lái)越小型化，處理信息的能力也日益智能化、寬帶化，多頻帶和寬頻帶天線越來(lái)越受到人們的廣泛關(guān)注。現(xiàn)今通信發(fā)展的基本矛盾是有限的頻譜資源與日益增長(zhǎng)的用戶需求之間的矛盾。為了有效利用頻譜資源，滿足各種不同的無(wú)線通信需要，同時(shí)保持無(wú)線通信設(shè)備的小型化，使得結(jié)構(gòu)緊湊，設(shè)計(jì)費(fèi)用低，并能夠同時(shí)工作在多個(gè)頻段內(nèi)的天線越來(lái)越受到設(shè)計(jì)者們的青睞。各式各樣的雙頻帶和多頻帶天線結(jié)構(gòu)已經(jīng)被設(shè)計(jì)出來(lái)。共面波導(dǎo)饋電雙頻天線[1?2]，圓極化縫隙天線[3]，帶有匹配網(wǎng)絡(luò)的倒F型天線[4]，這些天線尺寸較大。螺旋形天線[5?6]，圓形過(guò)孔結(jié)構(gòu)天線[7?8]， 圓環(huán)形縫隙結(jié)構(gòu)天線[9]，這些天線結(jié)構(gòu)復(fù)雜，而且通過(guò)過(guò)孔饋電給工藝的實(shí)現(xiàn)造成了極大的不便，同時(shí)也增加了天線的制造成本。土字形結(jié)構(gòu)天線[10]，雖然實(shí)現(xiàn)了天線的小型化優(yōu)勢(shì)，但是它只能用于WLAN通信系統(tǒng)，工作帶寬也較窄。

本文設(shè)計(jì)制作了一種尺寸較小，結(jié)構(gòu)簡(jiǎn)單，具有寬帶雙頻工作特性的單極子天線。通過(guò)在天線輻射貼片和背面接地板上開(kāi)縫，獲得天線的阻抗帶寬為3.2～3.9 GHz和4.7～6.3 GHz，可以同時(shí)覆蓋3.5 GHz WiMAX和5.2/5.8 GHz WLAN頻帶，能夠很好地滿足WiMAX和WLAN的通信要求。

1 天線結(jié)構(gòu)的設(shè)計(jì)

圖1和圖2分別給出了該雙頻帶天線的結(jié)構(gòu)示意圖和實(shí)物圖。天線的整體尺寸為30 mm×21.5 mm，介質(zhì)基板的相對(duì)介電常數(shù)[εr]為4.4，介質(zhì)基板厚度為1 mm，饋線部分為50 Ω的微帶線，線寬為1.8 mm。為了獲得寬帶雙頻特性，天線的設(shè)計(jì)思路首先設(shè)計(jì)一款3.3～9 GHz的UWB天線，天線的輻射貼片使用階梯型結(jié)構(gòu)，有效拓展了天線的阻抗帶寬。為了避免通信系統(tǒng)之間的相互干擾以及獲得寬頻帶特性，分別在輻射貼片上開(kāi)倒F型槽和在背面接地板上開(kāi)L型槽。使得在3.9～4.8 GHz以及在6.3～9 GHz頻帶上形成帶阻特性。這兩組槽長(zhǎng)度總和均約為期望阻帶中心頻率對(duì)應(yīng)波長(zhǎng)的[14，]式（1）引出了諧振結(jié)構(gòu)（縫隙或者金屬條帶）長(zhǎng)度[Ln]與陷波中心頻率的關(guān)系經(jīng)驗(yàn)公式：

[Ln=c4fnεr] （1）

式中：c為光速；[fn]為帶阻結(jié)構(gòu)的諧振頻率；[εr]為介質(zhì)的相對(duì)介電常數(shù)。其基本原理是在輻射貼片上引入需要抑制的頻率的“LC諧振回路”，改變諧振結(jié)構(gòu)在貼片上的位置和尺寸，相當(dāng)于改變構(gòu)成回路的LC值，從而影響了需要抑制的中心頻率和相應(yīng)的阻抗頻率帶寬。使得天線在3.9～4.8 GHz以及在6.3～9 GHz頻帶上形成帶阻效應(yīng)，消除了其他通信系統(tǒng)對(duì)WLAN和WiMAX使用造成的干擾，實(shí)現(xiàn)了寬頻雙頻帶天線的設(shè)計(jì)目標(biāo)。最終獲得天線的阻抗帶寬為700 MHz（3.2～3.9 GHz）和1.6 GHz（4.7～6.3 GHz），可以同時(shí)覆蓋3.5 GHz WiMAX和5.2/5.8 GHz WLAN頻帶。

采用電磁仿真軟件對(duì)天線進(jìn)行建模仿真，并對(duì)貼片和饋線等各部分尺寸進(jìn)行優(yōu)化仿真，得到的具體尺寸如下：[L=30 mm，][W=21.5 mm，][Lt=15.9 mm，][Wt=18.8 mm，][L1=1.8 mm，][L2=3.7 mm，][L3=0.6 mm，][L4=1.4 mm，][L5=4.2 mm，][L6=3 mm，][L7=6.7 mm，][L8=3.7 mm，][L9=2.8 mm，][Lk=10 mm，][Wk=1.8 mm，][W1=0.3 mm，][Lg=9 mm，][H1=4 mm，][W1=0.3 mm，][W2=1.3 mm，][W3=0.45 mm，][WL=1 mm。]

3 結(jié) 語(yǔ)

本文設(shè)計(jì)了一款應(yīng)用于WiMAX/WLAN的寬頻雙頻帶天線，通過(guò)在天線貼片和背面接地板上開(kāi)槽，有效避免了來(lái)自其他通信系統(tǒng)的干擾。天線的阻抗帶寬為700 MHz（3.2～3.9 GHz）和1.5 GHz（4.8～6.3 GHz），在通帶內(nèi)具有良好的全向輻射特性，天線尺寸小，便于集成，具有一定的使用價(jià)值。

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