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 通信工程學院，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 通信工程學院，四川 成都610225)

針對無線通信應用，設計了一種雙頻單極子天線，天線由共面波導饋電。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上，通過在共面波導地平面上開槽，實現了雙頻特性；同時采用具有漸變結構的單極子貼片，實現了在較寬頻帶上良好的阻抗匹配。采用HFSS仿真軟件對天線進行仿真，仿真結果表明：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、結構簡單和易于加工，能夠廣泛用于WLAN和WiMAX通信系統中。

單極子天線；開槽；雙頻段；WLAN；WiMAX

0 引言

隨著通信技術的不斷進步，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協議，具有較寬的帶寬，能夠提供高速的數據傳輸。因此研究一種能夠同時工作于WLAN和WiMAX頻段且帶寬較寬的多頻天線是十分必要的。

為了實現多頻，可以采用多枝技術結構，這種結構由于結構簡單而被廣泛采用[1-2]。在單極子貼片上開縫，形成多個電流徑，每個電流徑也可以理解為一個枝節，也可以視為多枝結構[3-4]。但在多枝結構的天線中，三頻及以上的多枝節結構的天線阻抗匹配設計較困難[5]。

此外，還可以采用多層結構技術實現多頻設計，但是多層貼片增大了天線的體積和貼片的個數[6-7]。另外，采用開槽技術[8]、加載寄生單元[9]以及加載超材料也可以實現多頻天線的設計。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，結構復雜，多個諧振模式的諧振頻率難以調諧的問題[10-11]。

本文結合已有的研究，采取共面波導地面開縫結合單極子的方法，不僅實現了雙頻，而且天線設計較為簡單。

1 天線的結構與設計

本文提出的天線結構如圖1所示。

圖1 天線結構圖

根據相關研究，本文涉及的單極子貼片長度應該介于介質基板中的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個直角三角形，形成漸變結構，可以有效提高天線的工作帶寬。經過仿真優化，得到沒有地面開槽的S11曲線圖如圖2所示。由圖2可見，在沒有地面開槽時，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個工作頻段。采用在共面波導地上開槽的方法，槽的設計過程如圖3所示。由圖3可見，共面波導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 參數分析與優化

為了對天線的性能進行優化，一般需要對天線的各個主要參數進行掃描和分析。首先對單極子貼片的尺寸變化對天線S11的影響進行分析。圖4是單極子貼片長度l2對S11的影響。根據微帶天線的設計原理，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，天線的2個諧振頻率逐漸變小，高頻的阻抗匹配逐漸變好，而低頻的阻抗匹配逐漸惡化。根據阻抗匹配和諧振頻率的情況，當l2=20.5 mm時，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造成其阻抗的改變，因此也會對天線的諧振頻率產生影響，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的最優值。

圖5 單極子貼片寬度w對S11的影響

共面波導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個諧振頻率和1個較寬的工作頻帶。為此，對槽的長寬進行分析。

首先，對槽的寬度進行分析。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，阻抗匹配也逐漸失配，故而Ws1=0.5 mm時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，高頻諧振諧振頻率向高頻移動，阻抗匹配逐漸變好，選擇Ws2=1 mm作為最優值。

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個諧振頻率不斷增大，阻抗匹配在gl1=5 mm時最佳。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作為最優值，以使得2個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個諧振頻點的頻率和阻抗都具有影響，適當調整槽的長寬，可以使天線的2個諧振點的頻率合適，阻抗匹配良好。

通過對天線的尺寸進行設計和優化，最終確定天線的尺寸參數如表1所示。

表1 天線結構參數/mm

3 仿真及測試結果分析

圖10是天線的實物照片圖，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測結果和仿真結果的吻合度。

圖10 天線實物照片圖

圖11 天線的S11曲線圖

由于條件的限制，沒有對天線遠場的性能進行測試，結合仿真結果對天線遠場性能進行分析。圖12為天線的在各個工作頻率下的遠場方向圖，由于天線采用了對稱設計，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面方向圖產生了畸變。這是由于地面彎折的開槽產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與單極子貼片產生的輻射相互抵消，故而方向圖也隨之變化。

圖13給出了天線在工作頻段內的增益仿真結果，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 天線增益的仿真結果

4 結束語

仿真和實測結果表明，在共面波導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構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種結構的結合，可以使得單極子天線具備2個工作頻段，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。但天線在槽產生的諧振頻率附近輻射方向圖發生了畸變，這還需要進一步研究和改進。

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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,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構。馬文英(1984—)，女，副教授，主要研究方向:微電子與電磁結構。魏耀華(1990—)，男，副教授，主要研究方向:傳感器與電磁結構。

TN828.4

A

1003-3114(2017)01-73-4