用于WiMAX和4G网络的多频天线设计

崔文杰，冯青政，王辂，冯立营，郑宏兴

（天津职业技术师范大学天线与微波技术研究所，天津300222）

用于WiMAX和4G网络的多频天线设计

崔文杰，冯青政，王辂，冯立营，郑宏兴

（天津职业技术师范大学天线与微波技术研究所，天津300222）

针对无线设备的发展需求，设计了一种可用于无线局域网和第4代移动通信的多频段天线。该天线采用矩形微带天线结构，通过改变同轴线的馈电位置，并在边缘开一个L形槽，使它在1.94 GHz、2.54 GHz、3.1 GHz和3.4 GHz的频段能够有效工作，且拥有一定带宽，满足系统对频率的要求。利用电磁仿真软件，研究了馈电位置、槽的位置及其形状和尺寸对天线性能的影响，实验验证了所设计天线的性能。

边缘开槽；多频段天线；微带天线

随着无线设备的快速发展，即时通信变得越来越重要。全球微波互联接入（worldwide interoperability for microwave access，WiMAX）是一种全新的接入方式。与传统的无线局域网相比，它的传输距离更远，接入速度更快，接入带宽更宽，具有广泛的应用前景。该接入方式主要的工作频率为2.5 GHz、3.4 GHz和5.5 GHz［1-2］。长期演进技术（long term evolution，LTE）是国际认可的4G通信标准，已经成为全球移动运营商的主流技术。时分双工（time division duplex，TDD）是中国4G网络的2种模式之一，非常适合个人手持无线设备的搭载。天线作为终端设备的关键部件，对终端的性能至关重要，因此开展小型内置多频段天线的研究具有重要意义。

微带天线因其质量轻、体积小和易于制造等优点，已广泛应用于无线设备中。文献［3］和文献［4］分别设计了2种多频天线，可用于LTE无线通信，但结构过于复杂，尺寸较大，形状不规则，不便用于手持设备中；文献［5-7］分别设计了可用于WLAN/WiMAX的多频天线，但其使用范围仅限于局域网内部，无法连接外部网络。为克服上述不足，本文设计了可以工作在4个频段的微带天线，且具有较高增益，方向性良好。所设计的天线结构简单、体积小、拥有足够带宽、阻抗匹配特性良好，能够覆盖所需的各个频段。

1　天线结构设计

矩形微带天线是在一块厚度远小于工作波长的介质基板的一面覆以金属辐射片，另一面全部覆以金属薄层作接地板而成。它可以被视作一段半波长的、两端断开形成开路的低阻抗微带传输线，因此辐射基本上可以认为是由辐射贴片开路边的边缘引起的。对于工作频率为f的矩形微带天线，可用下式近似计算辐射贴片的大小为：

式中：W和L分别为矩形贴片的宽和长；c为光速；εr为介质基板的介电常数；εe为有效介电常数；ΔL为等效辐射缝隙长度。具体计算式为：

式中：H为介质基板的厚度。使用同轴线馈电，在主模TM10工作模式下，馈电点在辐射贴片边缘到中心的一半处时，输入阻抗最高。近似计算出输入阻抗为50 Ω时的馈电点位置为：

若将同轴线的馈电点移至矩形辐射贴片的对角线上，可使天线获得双频工作特性。此外，通过在辐射贴片表面开槽实现多频特性同样是常用手段［8-10］。本文结合上述2种方法，调整同轴线的位置，并在辐射贴片上开槽，使天线实现了四频工作，天线结构如图1所示。其中，O点为矩形贴片的几何中心。

图1　天线结构示意图

2　参数分析

根据式（1）至式（5），分别计算出辐射贴片的大小以及符合要求的馈电点位置，以实现双频工作特性，如图2所示。之后，对辐射贴片进行开槽处理。在辐射贴片左侧开2个矩形槽，二者相互连通形成一个L形槽，可使天线实现四频特性。下面讨论L形槽的尺寸和位置对天线性能的影响。

图2　双频工作的|S11|

使用电磁软件进行仿真，结果表明：若增大L3，会使3.1 GHz和3.5 GHz处的|S11|大幅降低，同时二者的频率范围会向低频方向移动，使天线有效工作在所需频段，如图3所示。若减小W1，4个频率的|S11|都会降低，谐振频率也会稍有减小，如图4所示。L3和W1是这个矩形槽的长和宽，二者互相协调，共同调节天线的频率范围，因此它对整个天线的性能至关重要。

参数L4表示矩形槽与辐射贴片边缘的距离，L5表示矩形槽与辐射贴片中心的距离，二者的改变将影响辐射贴片的表面电流分布，进而影响天线的工作频率。如果增大L4，边缘处的电流密度会降低，导致|S11|有所升高，同时使中心频率降低，如图5所示。如果增大L5，2.4 GHz和3.1 GHz处的2个频点会向高频方向有较大偏移，而3.4 GHz处的频点会向低频方向移动，起到减小频率间隔的作用，能够有效弥补之前设计所造成的频率误差，如图6所示。

图3　|S11|随L3的变化曲线

图4　|S11|随W1的变化曲线

图6　|S11|随L5的变化曲线

3　设计结果

根据以上分析，将图2至图6中效果最佳的参数列出，如表1所示。

表1　天线参数mm

使用本实验室的AV3629矢量网络分析仪测试，将得到的结果与最终的仿真结果对比，如图7所示。结果表明，天线可以工作在1.901～1.955 GHz、2.526～2.560 GHz、3.067～3.115 GHz和3.388～3.435 GHz 4个频段内，中心频率分别为1.94 GHz、2.5 GHz、3.1 GHz和3.4 GHz，相对带宽分别为2.78%、1.36%、1.55%和1.38%，可以有效工作在WiMAX、LTE和TDD系统下。由于受加工精度、材料参数等因素的影响，在高频段的实测结果与仿真结果稍有偏差，但并不影响实际使用需求。

选取4个中心频率，对天线的远场辐射特性进行仿真，通过观察天线的电场（E面）和磁场（H面）辐射特性，得到方向图如图8所示。由图8可以看出，天线在低频段具有良好的定向辐射特性。随着频率的升高，个别方向增益略有下降，但结果都在可接受的范围内。

图7　仿真和实验的|S11|对比图

图8　天线远场辐射方向图

4　结束语

在微带天线的结构基础上，通过调整馈电点的位置，并在辐射贴片边缘开一个L型槽，实现了四频工作特性。设计样品的测试结果表明，其在WiMax、LTE和TDD的工作频段内性能良好，能够在这些系统中稳定工作。实际应用中，调节同轴线的位置和槽的尺寸可以对频率进行微调，使其满足个人用手持无线设备的需要，研究表明本设计在工程实践中具有较强的实用性。

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Design of multi-band antenna for WiMAX and 4G network applications

CUI Wen-jie，FENG Qing-zheng，WANG Lu，FENG Li-ying，ZHENG Hong-xing
（Institute of Antenna and Microwave Techniques，Tianjin University of Technology and Education，Tianjin 300222，China）

In order to realize the needs of wireless equipment，a multi-band antenna for wireless local area network and the fourth generation mobile communication systems is designed in this paper.Rectangular microstrip antenna structure is adopted.The position of coaxial feeder is adjusted，and an L-shaped slot is grooved around the edge of radiation patch.The antenna can be worked at 1.94 GHz，2.5 GHz，3.1 GHz and 3.4 GHz frequencies with bandwidth enough，and is suitable for frequency requirements above wireless systems.The performances of antenna influenced by the position of coaxial feeder and slot，shape and size of slot are investigated by using electromagnetic simulation software.Experimental results are verified the properties of this design.

edge slotting；multi-band antenna；microstrip antenna

TN822

A

2095－0926（2016）03－0036－04

2016-06-20

大学生创新创业训练计划项目（201510066034）；天津市应用基础及前沿技术研究计划项目（14JCQNJC0110）.

崔文杰（1995—），男，本科生；郑宏兴（1962—），男，教授，博士，硕士生导师，研究方向为天线、微波电路和计算电磁学.