一种用于WLAN/WiMAX的宽带双频天线

龚龙艳等

摘 要： 提出一种新型的适用于WLAN/WiMAX的宽带双频天线。通过在矩形辐射贴片上开对称的倒F型槽以及在背面接地板上开对称的L型槽的方式，该天线具有较好的宽带双频特性。实测天线的阻抗带宽为700 MHz（3.2～3.9 GHz）和1.5 GHz（4.8～6.3 GHz），可以同时覆盖3.5 GHz WiMAX和5.2/5.8 GHz WLAN频带。该天线在双频工作点上的最大增益分别为2.508 dBi和3.645 dBi，且具有较好的全向辐射特性，结果表明该设计方法的有效性。

关键词： 宽带双频； 全向天线； WLAN； WiMAX

中图分类号： TN82?34 文献标识码： A 文章编号： 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

近年来，随着现代通信技术的快速发展，无线通信设备越来越小型化，处理信息的能力也日益智能化、宽带化，多频带和宽频带天线越来越受到人们的广泛关注。现今通信发展的基本矛盾是有限的频谱资源与日益增长的用户需求之间的矛盾。为了有效利用频谱资源，满足各种不同的无线通信需要，同时保持无线通信设备的小型化，使得结构紧凑，设计费用低，并能够同时工作在多个频段内的天线越来越受到设计者们的青睐。各式各样的双频带和多频带天线结构已经被设计出来。共面波导馈电双频天线[1?2]，圆极化缝隙天线[3]，带有匹配网络的倒F型天线[4]，这些天线尺寸较大。螺旋形天线[5?6]，圆形过孔结构天线[7?8]， 圆环形缝隙结构天线[9]，这些天线结构复杂，而且通过过孔馈电给工艺的实现造成了极大的不便，同时也增加了天线的制造成本。土字形结构天线[10]，虽然实现了天线的小型化优势，但是它只能用于WLAN通信系统，工作带宽也较窄。

本文设计制作了一种尺寸较小，结构简单，具有宽带双频工作特性的单极子天线。通过在天线辐射贴片和背面接地板上开缝，获得天线的阻抗带宽为3.2～3.9 GHz和4.7～6.3 GHz，可以同时覆盖3.5 GHz WiMAX和5.2/5.8 GHz WLAN频带，能够很好地满足WiMAX和WLAN的通信要求。

1 天线结构的设计

图1和图2分别给出了该双频带天线的结构示意图和实物图。天线的整体尺寸为30 mm×21.5 mm，介质基板的相对介电常数[εr]为4.4，介质基板厚度为1 mm，馈线部分为50 Ω的微带线，线宽为1.8 mm。为了获得宽带双频特性，天线的设计思路首先设计一款3.3～9 GHz的UWB天线，天线的辐射贴片使用阶梯型结构，有效拓展了天线的阻抗带宽。为了避免通信系统之间的相互干扰以及获得宽频带特性，分别在辐射贴片上开倒F型槽和在背面接地板上开L型槽。使得在3.9～4.8 GHz以及在6.3～9 GHz频带上形成带阻特性。这两组槽长度总和均约为期望阻带中心频率对应波长的[14，]式（1）引出了谐振结构（缝隙或者金属条带）长度[Ln]与陷波中心频率的关系经验公式：

[Ln=c4fnεr] （1）

式中：c为光速；[fn]为带阻结构的谐振频率；[εr]为介质的相对介电常数。其基本原理是在辐射贴片上引入需要抑制的频率的“LC谐振回路”，改变谐振结构在贴片上的位置和尺寸，相当于改变构成回路的LC值，从而影响了需要抑制的中心频率和相应的阻抗频率带宽。使得天线在3.9～4.8 GHz以及在6.3～9 GHz频带上形成带阻效应，消除了其他通信系统对WLAN和WiMAX使用造成的干扰，实现了宽频双频带天线的设计目标。最终获得天线的阻抗带宽为700 MHz（3.2～3.9 GHz）和1.6 GHz（4.7～6.3 GHz），可以同时覆盖3.5 GHz WiMAX和5.2/5.8 GHz WLAN频带。

采用电磁仿真软件对天线进行建模仿真，并对贴片和馈线等各部分尺寸进行优化仿真，得到的具体尺寸如下：[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 结 语

本文设计了一款应用于WiMAX/WLAN的宽频双频带天线，通过在天线贴片和背面接地板上开槽，有效避免了来自其他通信系统的干扰。天线的阻抗带宽为700 MHz（3.2～3.9 GHz）和1.5 GHz（4.8～6.3 GHz），在通带内具有良好的全向辐射特性，天线尺寸小，便于集成，具有一定的使用价值。

参考文献

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[10] 赵凤，华伟，程小双.一种用于WLAN的双频紧凑型天线[J].四川大学学报：自然科学版，2013，50（4）：787?790.