新型小型化雙頻天線(xiàn)的設計

　　近年來(lái)，隨著(zhù)無(wú)線(xiàn)通信技術(shù)的飛速發(fā)展，低成本、小型化、寬頻帶的多頻天線(xiàn)已經(jīng)成為現代無(wú)線(xiàn)覆蓋了2. 4~ 2. 485/ 5. 15~ 5. 35/ 5. 725~ 5. 825 GHz。

　　微帶天線(xiàn)由于重量輕、低剖面、體積小等優(yōu)點(diǎn)，使得其受到了廣泛的關(guān)注。特別是無(wú)線(xiàn)局域網(wǎng)(WLAN)的應用，更加要求能夠提供多頻帶工作的寬帶小型化天線(xiàn)，WLAN 在現有的微波通信系統中得到了廣泛的應用。近年來(lái)，國內外對WLAN 天線(xiàn)進(jìn)行了廣泛的研究。

　　文獻[ 5] 提出了一種應用于5~ 6 GHz 無(wú)線(xiàn)通信的寬頻帶E 形微帶天線(xiàn)，但是僅僅工作在單一頻帶，不能滿(mǎn)足WLAN 的雙頻段覆蓋。

　　在文獻[ 5] 的基礎上，介紹一種E 形微帶貼片天線(xiàn)和一個(gè)微帶偶極子組合成的雙頻帶微帶天線(xiàn)。該天線(xiàn)采用縫隙耦合和電波引導的方式直接產(chǎn)生2 個(gè)帶寬。它能很好地滿(mǎn)足WLAN 和HIPERLNA( 5. 15~ 5. 35 GHz 和5. 47~ 5. 825 GHz) 的雙頻帶通信需求，同時(shí)滿(mǎn)足IEEE 802. 11 a/ b/ g 的通信需求，且結構簡(jiǎn)單、易于設計和制造。天線(xiàn)的輻射部分主要有E 形微帶貼片和微帶偶極子組成。利用電磁仿真軟件CST 對設計天線(xiàn)的諧振特性和方向圖特性進(jìn)行了研究，仿真結果表明，該天線(xiàn)能滿(mǎn)足WLAN 的雙頻通信需求，且增益比同類(lèi)天線(xiàn)有所提高。

　　1 天線(xiàn)的結構和設計

　　天線(xiàn)的基本結構如圖1 所示，整個(gè)天線(xiàn)制作在40 ×40 mm2 的泡沫塑料( 介電常數是1. 07，與空氣的介電常數接近) 板上，介質(zhì)板的高度為5 mm，E 形微帶貼片和微帶偶極子貼片的厚度均采用0. 2 mm的銅皮，接地板采用0. 2 mm 的銅皮，以確保天線(xiàn)有足夠的支撐強度。

圖1 天線(xiàn)的基本結構

　　從圖1 可以看出，天線(xiàn)的基本結構由E 形微帶貼片和微帶偶極子組成。E 形微帶貼片的兩個(gè)端臂等長(cháng)，中間為同軸饋電端口。電波通過(guò)饋電端口均勻地分布在E 形微帶貼片和偶極子上，使得貼片產(chǎn)生兩個(gè)諧振頻率。耦合縫隙t、寬度W2、W1 和W 決定偶極子的輻射，產(chǎn)生低頻段的諧振頻率。E 形微帶天線(xiàn)產(chǎn)生天線(xiàn)的高頻段的諧振頻率，偶極子微帶天線(xiàn)諧振在低頻段，2 個(gè)輻射源共用一個(gè)同軸饋電。
時(shí)間：2011-03-14 12:33:52 來(lái)源：維庫 作者：

　　圖2 給出了所設計天線(xiàn)的電流分布。從圖2( a)可以看出，電波通過(guò)嵌入E 形微帶貼片的連接傳輸線(xiàn)引導和縫隙t 的耦合作用，在偶極子上產(chǎn)生了很強的輻射，使得微帶偶極子的帶寬增加，從而滿(mǎn)足IEEE 802. 11b/ g 的通信需求。從圖2( b) 可以看出,電流均勻地分布在E 形微帶貼片的兩臂上，增加了電流的分布長(cháng)度，使得E 性天線(xiàn)有很大的帶寬，可以滿(mǎn)足5. 1~ 5. 825 GHz 無(wú)線(xiàn)通信的需求。

圖2 天線(xiàn)的電流分布

　　2 仿真結果與分析

　　根據以上的分析，采用E 形微帶貼片天線(xiàn)和微帶偶極子組合的結構，對工作在2. 4~ 2. 483 GHz和5. 1~ 5. 825 GHz的WLAN 天線(xiàn)進(jìn)行設計、仿真和優(yōu)化。

　　采用電磁仿真軟件CST 進(jìn)行建模仿真，考慮到仿真與實(shí)際工程的一致性，在建模的時(shí)候把輻射片與接地板之間的介質(zhì)板的介電常數直接設置為1 07。仿真得到的兩個(gè)諧振點(diǎn)的頻率為2 44 GHz和5 46 GHz。仿真結果如表1 所示。

　　從表1 中可以看出，天線(xiàn)在2 個(gè)諧振點(diǎn)有較高的輻射效率和增益。由于W1 和W2 是偶極子天線(xiàn)的寬度和偶極子天線(xiàn)的饋電傳輸線(xiàn)寬度，t 為E 形微帶貼片與偶極子微帶貼片之間的耦合縫隙，因此對W1、W2 和t 進(jìn)行優(yōu)化，不同寬度情況下的回波損耗曲線(xiàn)如圖3~ 圖5 所示。從圖3 上可以看出，當調整W1 時(shí)，天線(xiàn)的低頻段將隨著(zhù)W1 的增大，天線(xiàn)的頻率有所升高。從圖4 上可以看出，當調整W2 時(shí),偶極子天線(xiàn)與E 形微帶貼片之間的耦合電容和饋電傳輸線(xiàn)的阻抗發(fā)生了變化，使得天線(xiàn)的諧振點(diǎn)發(fā)生偏移，當在W1= 6. 5 mm，W2= 1. 9 mm 時(shí)，天線(xiàn)的諧振阻抗帶寬最大，天線(xiàn)的諧振頻率為2. 44 GHz 和5. 46 GHz，帶寬分別為83MHz 和812MHz。

天線(xiàn)方向參數的仿真結果

　　從圖5 上可以看出，E 形微帶貼片與微帶偶極子天線(xiàn)之間的縫隙t 在間距大于1. 5mm 時(shí)，對天線(xiàn)的工作帶寬影響較小。利用電磁仿真軟件CST 優(yōu)化后天線(xiàn)的結構參數為: L1 = 25. 5 mm; L 2 =6. 8 mm; L3= 8 mm; W= 32 mm; W1= 6. 5 mm; W2=1. 9 mm; W3 = 4 mm; W4 = 8mm; t = 2. 5 mm; t 1 =1. 8 mm; t 2= 3. 6 mm; S = 4 mm。從圖4 還可以看出,天線(xiàn)的高頻段基本上是獨立的，受嵌入的饋電傳輸線(xiàn)的影響不大，因此該雙頻天線(xiàn)可以分別獨立設計。

圖3 W1 對天線(xiàn)的參數的影響

圖4 W2 對天線(xiàn)的參數的影響

圖5 t 對天線(xiàn)參數的影響

　　2 個(gè)諧振點(diǎn)的輻射方向圖如圖6 所示。由于該天線(xiàn)有很好的對稱(chēng)特性，因此方向圖呈現較好的全向特性?？偟膩?lái)說(shuō)在2 個(gè)諧振帶寬內，2 個(gè)諧振點(diǎn)有相似的輻射特性，實(shí)現了雙頻帶工作。從仿真的結果可以看出，所設計的天線(xiàn)在諧振帶寬內有很好的匹配，并且高低頻段可以控制，可以實(shí)現各頻段獨立設計，給工程實(shí)踐提供很好的參考。提出的寬頻帶小型化雙頻帶天線(xiàn)與以前提出的相似類(lèi)型的天線(xiàn)相比，采用E 形微帶貼片天線(xiàn)和微帶偶極子天線(xiàn)組合的方式，易于實(shí)現。同時(shí)在阻抗帶寬和效率上有一定提高，主要是采用嵌入式傳輸線(xiàn)和耦合饋電微帶偶極子天線(xiàn)和寬帶E 形微帶貼片單元，使得微帶偶極子天線(xiàn)的效率和增益有所提高。

圖6 天線(xiàn)的輻射方向圖

　　3 結束語(yǔ)

　　　通過(guò)E 形微帶貼片天線(xiàn)與微帶偶極子天線(xiàn)組合的方法，給出了一種新型的雙頻平面寬頻帶天線(xiàn)的結構和設計方法。這種天線(xiàn)輪廓小，饋電簡(jiǎn)單，加工容易且成本低。其最大的優(yōu)點(diǎn)就是2 個(gè)頻段可以單獨設計，且調節方便，通過(guò)改變對應的尺寸，2 個(gè)諧振頻率可以較為獨立地調節，這為天線(xiàn)的設計帶來(lái)了很大的方便。