应用于WiFi/WiMAX的三频超介质加载天线

廖 俊

（桂林电子科技大学 信息与通信学院，广西 桂林 541004）

0 引言

随着 WiFi（2.40～2.48 GHz，5.15～5.80 GHz）以及WiMAX（3.30～3.80 GHz）标准的提出，无线局域网（WLAN）通信技术迅猛发展。为了满足多种无线通信标准的要求，如何设计出兼具小型化、多频带特点的宽带天线是一个技术难点。弯折线结构是比较传统的实现天线小型化和宽带宽性能的手段之一[1-2]。为了进一步改善弯折线天线的性能，学者们提出了许多改进的弯折线结构，如不均匀弯折线[3]，3D弯折线天线[4]等。随着研究的深入，超介质因其新颖的特性和广阔的潜力吸引了国内外学者的注意，其中负折射率传输线超介质[5]在众多新兴天线设计中因其独特的超介质特点独占优势。在这之中最值得注意的有紧凑型多带宽贴片天线[6]、垂直极化的弯折型偶极子[7]、宽带双模单极子天线[8]等。

本论文旨在设计一种三工作频段、低成本、能够同时支持WiFi频段以及WiMAX频段的天线。根据超介质理论中负折射率传输线的工作原理，超介质加载的天线在2.45 GHz和5.5 GHz时呈现明显的偶模电流，这使得天线类似折合单极子工作。在3.55 GHz左右，超介质加载结构形成共面波导CPW接地面电流的巴伦，致使整个接地面的顶部边缘成为主要辐射体，呈偶极子模式辐射。同时背部矩形贴片的加入能改善天线的阻抗带宽和辐射性能。按照仿真优化的尺寸参数制作了天线实物，测试结果表明该天线能很好地应用于三工作频段的WLAN。

1 天线结构等效电路分析

鉴于单纯的弯折线单极子天线不能满足WLAN的应用要求，这里通过超介质加载技术增加天线的谐振点，拓宽天线工作频带。本论文天线结构如图1所示，由不均匀弯折线单极子、共面波导和负折射率传输线超介质结构组成，通过SMA连接头采用共面波导馈电，所用的FR4基板厚度为T=1.59 mm，相对介电常数εr=4.9。

该超介质加载天线采用了一种不对称形式，可等效为π形负折射率传输线单元。图2给出了等效电路示意图，其中串联电容C′由基本正面的弯折线单极子和基板背面的矩形贴片耦合而成，并联电感L1为弯折线单极子的基部形成，并联电感L2由基板背面的细长金属条和连接共面波导接地面和背面矩形贴片的过孔共同组成。天线的几何尺寸决定了C′，L1和L2的取值，也就是说矩形贴片、单极子、细长金属条的尺寸是影响天线工作性能的重要参数，通过调节设定合适的参数，可以得到同相电流，这样就保证了负折射率传输线超介质结构的反向波对输入信号产生相移，构成紧凑型折合单极子结构。

实际上，通过合理设置天线尺寸参数获得合适的C′，L1和L2的取值，当满足阻抗匹配条件（见式（1））时可使π形结构的相移趋于0。

文献[9]给出的公式能够得出π形结构的相移

可以把式（2）所示相移看作两部分，一部分相移ΨT由主体传输线产生，另一部分相移ΨB由串联电容和并联电感形成的反向波产生。当ΨB调节到一个适合的相位值时，Ψeff=0，天线产生一个谐振点，工作频带得以拓宽。

2 仿真分析与实测结果

根据上述理论，调节合适的C′，L1和L2的取值，重点研究了矩形贴片、单极子、细长金属条的尺寸参数对天线工作性能的影响。通过调节不均匀弯折线各部分的长度和宽度来获得WiFi频段内的两个谐振点，弯折线总长度约为66 mm，略小于2.45 GHz频率点的1/2波长。弯折线单极子尺寸为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。通过CST仿真软件建立天线模型，进行仿真优化，并通过制作实物进行测试，测试曲线与仿真曲线相仿，从而验证了本论文设计天线的可行性，天线最终优化参数见表1。

表1 设计天线主要指标 mm

2.1 天线|S1,1|曲线分析

本论文天线针对WiFi频段以及WiMAX频段而设计，参考文献中不均匀弯折线单极子结构初步获得WiFi频段的两个谐振点，固定单极子尺寸，调节天线其他尺寸参数，拓宽天线工作带宽，使整个天线系统达到更好的阻抗匹配，优化天线性能。超介质加载是获得WiMAX工作频段的主要因素，并且明显改善了单极子高频段的谐振特性。

通过第1节所述分析，使超介质π形结构在3 GHz频段的相移Ψeff产生一个零值，初步得到一个谐振点，便可以通过调节共面波导接地面的尺寸参数在3 GHz频段获得良好的谐振特性。以下利用CST Microwave Studio仿真软件进一步分析接地面宽度GW和接地面长度GL对天线性能的影响。图5给出了在不同接地面宽度GW取值下天线的回拨损耗曲线，接地面宽度GW对3 GHz频段的谐振点影响较大，随着GW的增大，3 GHz频段的谐振特性变差，谐振点逐渐向低频漂移，而低端和高端的谐振点移动却不明显。图6展示了不同接地面长度GL取值对天线回波损耗的影响，接地面长度GL可以调节天线系统的整个工作频段的谐振特性，经软件仿真优化发现当GL取11 mm时，天线系统谐振特性最好，获得适于WiFi频段以及WiMAX频段工作的阻抗匹配带宽。

2.2 天线表面电流分布及辐射方向图

如图7a，7c所示，超介质加载天线的三工作频段可由其在每个谐振点的表面电流分布来解释。通过CST Microwave Studio仿真观察到，在2.45 GHz与5.5 GHz处天线流过弯折线单极子的电流与流过背面感性细金属线的电流是同相的，这样超介质加载结构就形成了一个双臂的折合单极子，另外在两接地面顶部边缘的异相电流形成平衡共面波导模式，这些电流对天线辐射不做贡献，因此在这两个频点处沿x轴方向的弯折线单极子与超介质加载背部耦合片作为主要辐射体向外辐射电磁波。

与上述情况不同的是，在3.55 GHz处天线不再作为折合单极子辐射工作，而是沿y轴的类似偶极子工作模式。如图7b所示，在两接地面顶部边缘的同相电流使两接地面成为了此频率点的主要辐射元件，此时天线的谐振点便与接地面宽度GW有关，与图5的仿真结果吻合。

基于上述原理，天线在2.45 GHz，5.5 GHz与3.55 GHz的E面方向图或H面方向图是不同的方位面。在2.45 GHz与5.5 GHz处，天线E面方向图在x-z平面，H面方向图在x-y平面；在3.55 GHz处，天线E面方向图在y-z平面，H面方向图在x-z平面。天线在此3个频点的增益值分别是2.45 GHz的2.24 dBi，3.55 GHz的2.47 dBi和5.5 GHz的3.24 dBi，辐射效率均在85%左右。从图8的天线辐射方向图可以看出，天线具有良好的全向辐射特性，这与前面所述天线表面电流分布情况相吻合。而在3.55 GHz频点，超介质加载满足阻抗匹配条件（式（1）），产生零相移，展现超介质特性，由于天线的不对称π形结构使得此时天线E面方向图也为不对称图形。

3 小结

本文设计并测试了一种适用于WiFi及WiMAX频段的超介质加载三频段贴片天线，利用负折射率传输线π形超介质结构在所需频率点获得零相移，增加天线谐振频率点，拓宽工作带宽，使天线恰好覆盖所需工作频段，|S1,1|曲线在 2.40～2.48 GHz，3.30～3.80 GHz和 5.15～5.80 GHz均小于-10 dB，并且具有较高的辐射效率。测试结果与仿真结果吻合良好，证明了该超介质加载天线的可行性。该天线结构紧凑，体积小，成本低，易于制作，三频段内较高的辐射效率使其能很好地应用于WLAN，具有广泛的应用潜力。

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[2]邸元春.关于卫星电视微带平面天线阵的研究[J].电视技术，1995，19（12）：22-24.

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[4]GONG S P，QU J R，HU Y X，et al.Design of triple-band LTCC antenna using meander line structure for mobile handsets[C]//Proc.ICCMMT2010.[S.l.]：IEEE Press，2010：370-372.

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[9]ANTONIADES M A，ELEFTHERIADES G V.A folded-monopole model for electrically small NRI-TL metamaterial antennas[C]//Proc.IEEE Antennas and Wireless Propagation Letters.[S.l.]：IEEE Press，2008，7：425-428.