应用于WLAN/WiMAX的CPW馈电双频天线设计

汤 雪 彬

（1. 江苏省物联网与制造业信息化工程研究中心，江苏 常州 213164；2. 常州机电职业技术学院，江苏 常州 213164）

应用于WLAN/WiMAX的CPW馈电双频天线设计

汤 雪 彬1,2

（1. 江苏省物联网与制造业信息化工程研究中心，江苏 常州 213164；2. 常州机电职业技术学院，江苏 常州 213164）

提出并制作了一种新颖的应用于WLAN和WiMAX的CPW（共面波导）馈电双频天线。该天线由L形缝隙和T型谐振器构成。仿真和实测结果表明，该天线S11≤-10 dB的阻抗带宽分别为2.38～3.38 GHz以及5.17～5.9 GHz，覆盖了WLAN和WiMAX的所有工作带宽。此外，该天线在所有工作频段都具有适度的增益，并且结构紧凑，尺寸只有30 mm×35 mm×1.6 mm。天线的实测结果与仿真结果具有较好的吻合性。

共面波导馈电；双频天线；微带；WLAN/WiMAX；带宽；通信

近年来，随着多频段多业务无线通信系统的飞速发展，适用于无线局域网(WLAN)和全球微波互联接入(WiMAX)等应用的多频段通信系统的多频段微带天线得到了迅速的发展。由于具有结构紧凑、成本低、易于制造等特点，多频段微带天线受到了许多研究者的广泛关注，并且提出多种适用于WLAN/WiMAX的多频段天线，如共面波导（CPW）馈电的天线[1-5]，单极子天线[6-9]，U形[10]、S形[11]和C形[12]缝隙天线，植入式天线[13]，以及平面倒F天线（PIFA）[14]等等。其中，CPW馈电天线具有许多优点，如体积小、结构简单、易于集成等。其他类型的天线虽然有其自身的优点，但也存在许多弊端，例如：单极子天线比CPW馈电的天线具有更高的辐射损耗，因为微带传输线比CPW线更分散；缝隙技术虽然可以减小天线的电路尺寸，但其结构复杂；植入式天线是非平面的，具有复杂的结构，增加了成本和制造难度；而PIFA天线的阻抗带宽比CPW馈电天线更窄[15]。

本文提出了一种新型的适用于WLAN和WiMAX的平面双频天线设计方案，天线由L形缝隙和T型谐振器构成，与其他C型、S型CPW馈电的天线相比，具有体积小、结构简单等特点。同时，其阻抗带宽可以通过改变L形缝隙的尺寸参数来控制，天线的阻抗带宽覆盖了WLAN和WiMAX通信系统的所有工作频段。仿真与实际测量结果表明，本文提出的双频天线适用于WLAN/WiMAX通信系统，且工作稳定，辐射性能良好。

1 天线设计

本文设计的双频天线的结构如图1（a）所示，图1（b）展示了加工的天线原型照片。从图1中可以看出，该天线由L形缝隙和T型谐振器构成，天线被印制在一块30 mm×35 mm×1.6 mm的FR4介质板上，介质板的相对介电常数为4.4，损耗角正切为0.02。各部分尺寸参数值见表1。

图1 天线结构示意图和照片Fig.1 Schematics of configuration and photograph of the antenna

表1 天线各部分尺寸参数Tab.1 Values of dimension parameters of the antenna mm

图2所示为三种类型的CPW馈电的天线结构，对其在不同频率条件下的反射系数与电场分布进行模拟测量。图3显示了这三种类型CPW馈电天线的仿真S11曲线。其中天线1和天线3阻抗带宽范围被设计在2.38～3.38 GHz低频段，而天线2用于实现高频段，三者结合形成了双频天线。此外，每个谐振单元的尺寸约等于四分之一的波导波长，即λg/4，于是所设计的中心频率f可由以下公式[16]计算得到：

式中：c是在自由空间中的光速；λg为介质中的导波长；εeff为有效介电常数；εr为介质基板的相对介电常数。

图2 三种类型天线的结构图Fig.2 Schematics of 3 kinds of antennas configurations

图3 三种天线的模拟反射系数Fig.3 Simulated reflection coefficients of 3 kinds of antennas

为了进一步详细说明文章提出的双频段天线的性能，利用高频结构仿真软件HFSS进行了全波仿真。图4分别给出了频率为2.5，3.5，5.5 GHz处天线的表面电场分布示意图。

图4 天线的表面电场Fig.4 Surface electric field distribution of antennas

值得注意的是，在2.5 GHz频率下大部分电场分布在L形槽附近，在3.5 GHz频率下大部分电场分布在T型谐振器的一侧，而在5.5 GHz频率下电场则集中在T型谐振器的另一侧。

图5模拟了l1、l2和l3的变化对CPW馈电双频段天线的反射系数的影响。从图5（a）可以看出，在3.5 GHz频率附近，谐振频率随着l1的增加逐渐降低。由图5（b）和5（c）则可以看出，在5.5 GHz和2.5 GHz频率附近，谐振频率则受l2和l3的长度影响。因此，本文提出的CPW馈电双频天线的性能可通过调节l1、l2和l3来进行优化。

图5l1、l2和l3的变化对CPW馈电双频天线的反射系数的影响Fig.5 Simulated reflection coefficients of the proposed antenna with variedl1,l2,l3

2 结果分析

图6给出了对本文提出的双频天线反射系数的模拟和测试结果，测量工作是在Agilent N5244A网络分析仪上完成。从图中可以看出，双频段天线的阻抗带宽在2.38～3.38 GHz以及5.17～5.9 GHz，工作频段几乎覆盖了WLAN和WiMAX的所有工作带宽。且从图6中可以看出，仿真和实测结果之间基本吻合。

图6 模拟和测量的天线反射系数Fig.6 Simulated and measured reflection coefficients of the proposed antenna

图7（a）、（b）和（c）分别给出了中心频率在2.5，3.5，5.5 GHz时，双频天线E面和H面的远场辐射仿真与测量数据。从图7（a）和（b）中可以看出，中心频率在2.5和3.5 GHz时，H面具有全向辐射，E面的辐射图看起来像数字8，类似于偶极子的辐射图。而图7（c）则显示，在5.5 GHz时，E面和H面的辐射图都与偶极子的类似。

图7 中心频率在2.5，3.5和5.5 GHz时E面和H面的远场辐射仿真与测量数据Fig.7 Simulated and measured radiation patterns of the proposed antenna at 2.5, 3.5, 5.5 GHz

图8显示了双频天线在所有工作带的峰值增益。从图中可以得出，两个频带的平均峰值增益约为2.03和3.04 dBi，且工作稳定。

为了直观说明本文设计的双频天线的性能，文章选取了参考文献中几款天线作为参照进行对比，如表2，可以看出，本文设计天线具有更小的尺寸和更宽的阻抗带宽。

图8 双频天线的工作带增益Fig.8 Peak gains of the proposed dual-band antenna

表2 本文设计天线与其他天线对比Tab.2 Comparison of the proposed antenna with other reported works

3 结论

提出了一种应用于WLAN和WiMAX的共面波导馈电双频天线。通过引入L形槽和T型谐振器，使得天线可以同时工作在两个频段。该天线结构简单，且尺寸只有30 mm×35 mm×1.6 mm。测试结果表明，该天线覆盖了所有的WLAN和WiMAX的工作带宽，非常适用于WLAN和WiMAX等现代无线通信系统。

[1] LIAO X J, YANG H C, HAN N, et al. Aperture UWB antenna with triple band-notched characteristics [J]. Electron Lett, 2011, 47(2): 77-79.

[2] 赵庆平, 李素文, 朱亮. 箭形共面波导超宽带天线的设计 [J]. 电子元件与材料, 2013, 32(1): 38-41.

[3] HUANG C Y, YU E Z. A slot-monopole antenna for dual-band WLAN applications [J]. IEEE Antenna Wireless Propagation Lett, 2011(10): 500-502.

[4] 贾宇, 刘建霞, 蔡冬梅, 等. 应用于WLAN/WiMAX的双1型双频微带天线设计 [J]. 电子元件与材料, 2014, 33(12): 52-56.

[5] LI J, HUANG S S, ZHAO J Z. A compact CPW-fed tri-band antenna for WLAN/WiMAX applications [J]. Open Sci J Electr Electron Eng, 2014, 4(1): 21-25.

[6] HUANG S, LI J, ZHAO J. Miniaturized CPW-fed triband antenna with asymmetric ring for WLAN/WiMAX applications [J]. J Comput Networks Commun, 2014(ID419642): 1-8.

[7] KOO T W, KIM D, RYU J I, et al. A coupled dual-U-shaped monopole antenna for WiMAX triple band operation [J]. Microwave Opt Technol Lett, 2011, 53(4): 745-748.

[8] CHEN G, YANG X L, WANG Y. Dual-band frequency-reconfigurable folded slot antenna for wireless communications [J]. IEEE Antenna Wireless Propagation Lett, 2012(11): 1386-1389.

[9] PAN C Y, HORNG T S, CHEN W S, et al. Dual wideband printed monopole antenna for WLAN/WiMAX applications [J]. IEEE Antenna Wireless Propagation Lett, 2007(6): 149-151.

[10] WANG Y S, LEE M C, CHUNG S J. Two PIFA-related miniaturized dual-band antennas [J]. IEEE Trans Antenna Propagation, 2007, 55(3): 805-811.

[11] 黄姗姗, 李骏. 一种小型蓝牙平面倒F天线设计 [J]. 电子元件与材料, 2014, 33(4): 40-42.

[12] HUANG S S, LI J, ZHAO J Z. Design of a compact triple-band monopole planar antenna for WLAN/WiMAX applications [J]. Prog Electromagn Res C, 2014, 48: 29-35.

[13] 汤雪彬, 金舒萍. 应用于WLAN/WiMAX的三频段微带缝隙天线设计 [J]. 电子元件与材料, 2015, 34(10): 72-75.

[14] 李靖, 丁君, 郭陈江. 基于人工电磁材料的微带贴片天线频带展宽[J]. 电子元件与材料, 2013, 29(3): 47-50.

[15] 刘彤, 樊宏, 沈连丰. 无线家庭网络印制倒F型天线的分析与设计[J]. 东南大学学报(自然科学版), 2006, 36(2): 183-188.

[16] 波扎. 微波工程 [M]. 北京: 电子工业出版社, 2010.

（编辑：陈渝生）

CPW-fed dual-band antenna for WLAN/WiMAX application

TANG Xuebin1,2
(1. Jiangsu Internet of things and Manufacturing Information Engineering Research Center, Changzhou 213164, Jiangsu Province, China; 2. Changzhou Institute of Mechatronic Technology, Changzhou 213164, Jiangsu Province, China)

A novel CPW-fed dual-band antenna for WLAN/WiMAX applications was proposed and fabricated, that consists of L-shape slols and T-shape resonantors. Results denote that the impedance bandwidths of the antenna withS11≤-10 dB are 2.38-3.38 GHz and 5.17-5.9 GHz, covering all the WLAN/WiMAX operation bands. In addition, the proposed antenna with a compact size of only 30 mm × 35 mm × 1.6 mm, has moderate gains across all the operation bands. The antenna measured results are in good agreement with simulated ones.

CPW-fed; dual-band antenna; microstrip; WLAN/WiMAX; bandwidth; communication

10.14106/j.cnki.1001-2028.2016.08.015

TN82

:A

:1001-2028（2016）08-0065-04

2016-07-04

汤雪彬（1981-），男，江苏常州人，讲师，硕士，研究方向为通信与信息系统，E-mail:tang_xue_bin@163.com 。

时间：2016-08-03 22:36

： http://www.cnki.net/kcms/detail/51.1241.TN.20160803.2236.015.html