應用于WLAN/Wi-Fi/WiMAX系統的小型化雙頻帶平面天線研究

李娜，王海華

(山東理工大學 電氣與電子工程學院，山東 淄博 255049)

隨著無線通信技術的快速發展，無線通訊設備需要工作在多個頻帶，這就要求無線電子設備的關鍵部件之一天線能同時覆蓋多個頻帶，多頻帶天線可以有效地減少系統內天線的數目，從而降低無線通信系統的體積和復雜度，進而能夠滿足更多的應用需求[1-6]。平面單極子天線因具有體積小、重量輕、容易加工及造價低廉等優點，且易于實現多頻和寬帶，能夠滿足現代通訊系統對天線的要求，在現代無線通信系統中得到了廣泛應用[7-11]。為順應現代無線通信系統小型化和集成化的發展趨勢，近二十多年來，研究人員對小型化多頻帶平面天線研究的方法主要包括：(1)加載諧振單元實現多帶[12]，即通過不同的諧振單元產生不同的諧振頻率，從而達到多頻帶的效果；(2)采用可重構天線實現多帶[13]，即在天線上引入射頻開關，通過控制開關的通斷來改變天線的表面電流路徑，進而實現多帶；(3)利用天線的高次模式實現多帶[14]，即通過利用天線的高次模式和基模實現多帶；(4)利用不同的天線形式實現多帶[15]，即通過利用不同的天線形式，比如單極子天線和縫隙天線，不同的天線工作于不同的工作頻帶，進而實現多帶。本文在開口環形單極子天線的基礎上，通過加載借助金屬過孔與地面相連接的U形枝節實現天線的雙頻帶，通過加載倒T形枝節以及在地面上刻槽實現天線的小型化，以有效地展寬天線的阻抗帶寬。

為節省天線的設計成本并精確模擬天線的電磁輻射性能，本文借助電磁仿真軟件CST 微波工作室(CST Microwave Studio)[16]對天線進行仿真。CST Microwave Studio集合了包括時域有限積分、頻域有限元法和矩量法等多種電磁算法，可對各類天線單元和陣列的特性參數進行仿真分析，包括S參數、表面電流分布和遠場輻射特性等在內的多項天線指標參數。CST Microwave Studio仿真優化及分析方法靈活，仿真結果準確，與實測結果吻合度較高，被廣泛應用在天線的設計及分析工作中。

1 天線結構設計

本文所設計的天線由微帶饋線、介質基板和輻射單元組成。介質基板采用介電常數為2.65，損耗正切為0.02的聚四氟乙烯，厚度為1.6 mm，介質基板上表面印制有T形微帶線、開口環形金屬枝節、T形枝節以及通過金屬過孔與地面相連接的U形金屬枝節，介質基板的下表面印制有在中心及兩端分別刻蝕矩形槽的金屬地面。

天線作為一種能量轉換裝置，其饋電端口與傳輸線相連，它可以將傳輸線傳輸過來的導行波轉換成自由空間中的無線電波。如果將傳輸線看作饋源，天線就可以看作傳輸線的負載。天線的輸入阻抗和饋線的特性阻抗并不能做到完全匹配，工程上一般用饋線上的反射系數來衡量天線與饋線的匹配程度，反射系數的定義為[17]

式中：Zin為天線的輸入阻抗；Z0為傳輸線的特性阻抗。一般天線在工作頻段內的電壓駐波比能夠滿足實際的需求。

S11實際上是特指一個一端口網絡的反射系數Г，其數值大小反映了天線阻抗匹配的程度，工程上一般約定S11<-10 dB的頻率范圍定義為天線的阻抗帶寬。因此，為了反應天線的阻抗匹配程度，本文采用電磁仿真軟件CST對S11<-10 dB的阻抗帶寬進行仿真分析。

天線設計過程如圖1所示，其對應的S11仿真曲線如圖2所示。由圖2可知，天線1只在7.19 GHz處產生了一個諧振點；天線2在天線1的基礎上加載了與地面通過金屬過孔相連接的U形枝節，相較于天線1，天線2在3.34 GHz處增加了一個新的諧振點，且原先的諧振點向低頻移動，天線2實現了雙頻段工作；天線3在天線2的基礎上加載了T形枝節，并且在金屬地面的中心刻蝕矩形槽，實現了天線小型化以及寬帶化設計，天線3的低頻段阻抗帶寬展寬，且兩個頻段的諧振點向低頻移動，進而實現了天線的小型化；天線4在天線3的基礎上，在金屬地面的兩端分別刻蝕兩個相同的矩形槽，從而達到展寬高頻阻抗帶寬的作用，相比天線3，天線4的高頻段阻抗帶寬得到展寬，進而滿足了天線的寬帶化和小型化。

(a)天線1 (b)天線2

圖2 仿真的反射系數隨頻率的變化曲線

2 天線仿真分析

天線的結構尺寸對天線性能有著重要的影響，為了實現天線的最佳性能，本文利用電磁仿真軟件對天線的參數進行優化，當研究其中一個參數對天線性能影響時，其他參數取值固定，本文僅對兩個影響天線性能的重要參數L7、L6進行仿真優化分析。圖3給出了S11隨參數L7的變化曲線，從圖3可以看出，隨著參數L7從3 mm變化到5 mm，高頻段的阻抗帶寬逐漸變小，諧振深度先變大再變小，但是隨著參數L7的增大，使得低頻段中的較高的諧振點先往低頻移動再往高頻移動，但是L7的變化對低頻段的阻抗帶寬影響較小。因此，最終選擇L7=4 mm。再看參數L6，其S11曲線如圖4所示，以1 mm為單位進行變化，在L6由7 mm變化到9 mm的過程中，低頻段的阻抗帶寬逐漸變窄，但諧振深度逐漸增大，高頻段正好相反，L6由7 mm到9 mm過程中，阻抗帶寬逐漸展寬，諧振深度相應地有所減小。綜合考慮，選擇L6=8 mm。

圖4 反射系數隨參數L6的變化曲線

借助電磁仿真軟件對天線的所有參數進行優化設計，得到天線的最優結構尺寸如圖5所示，天線結構的最優參數值見表1。

(a)天線正面

表1 天線結構的最優參數值

天線S11曲線最終優化結果如圖6所示。由圖6可以看出，天線最終仿真結果滿足S11<-10 dB的工作頻帶為2.10～3.28 GHz和5.18 ～6.42 GHz,且天線尺寸僅有25 mm×22 mm×1.6 mm,改善了以往單極子天線帶寬較窄的問題，同時實現了天線的小型化；能夠分別覆蓋WLAN的2.4 GHz(2.4～2.484 GHz)和5.8 GHz(5.725～5.825 GHz)、WiMAX的2.5 GHz(2.5～2.69 GHz)和5.5 GHz(5.25～5.85 GHz)以及Wi-Fi的2.4 GHz(2.4～2.485 GHz)和5.5 GHz(5.15～5.85 GHz)的通信頻段。

圖6 天線最終仿真結果

為了清晰地描述天線的方向性，需要將天線的輻射場強與空間坐標用一個函數聯系起來，這個函數被稱為方向性函數。如果將天線放置于坐標原點，那么天線在遠區球面上的任意方向(θ,φ)的輻射場為

E=A(r)f(θ,φ),

式中:A(r)為距離坐標原點r處的幅度因子;f(θ,φ)為方向因子，也稱之為方向性函數。基于方向性函數繪制的天線輻射特性和方向之間的關系圖形被稱為天線的方向圖。通常所說天線的方向圖是一個三維立體圖形，對于線極化天線通常采用兩個主平面E面和H面來描述天線的方向性。其中，E面和H面分別是指包含了最大輻射方向與電場矢量和磁場矢量的平面。

借助電磁仿真軟件對天線的遠場輻射方向圖進行仿真，在2.8 GHz和5.8 GHz時，天線在ZOY面和XOY面上的遠場輻射方向圖如圖7所示。由圖7可以看出，在2.8 GHz時，天線在ZOY面和XOY面兩個主平面上方向圖呈現出近全向特性，在5.8 GHz時，天線在XOY面的方向圖也接近全向，在ZOY面天線的輻射方向圖為雙向輻射。

圖7 天線在不同頻點的遠場輻射方向圖

3 結束語

文章設計了一款小型化雙頻帶平面單極子天線，該天線具有以下優勢：

1)在簡單的開口環形單極子天線的基礎上，通過金屬過孔加載與地面相連接的U形金屬枝節，進而實現了天線的雙頻帶特性。

2)通過加載倒T枝節以及在地面上刻槽實現了天線的小型化，同時實現了天線的寬頻帶特性。

3)該天線結構簡單、制作成本低，覆蓋了WLAN/Wi-Fi/WiMAX等通信頻帶。

基于以上優勢，該天線能夠很好地滿足現代無線通信系統對小型化多頻帶平面天線的需求，具有較大的實際工程應用潛力。