一种地面开槽的双频宽频单极子天线

唐雨竹，马文英，魏耀华

(成都信息工程大学 通信工程学院，四川 成都610225)

一种地面开槽的双频宽频单极子天线

唐雨竹，马文英，魏耀华

(成都信息工程大学 通信工程学院，四川 成都610225)

针对无线通信应用，设计了一种双频单极子天线，天线由共面波导馈电。天线的整体尺寸为30 mm×25 mm×0.8 mm，基板选用FR4。天线在平面单极子的基础上，通过在共面波导地平面上开槽，实现了双频特性；同时采用具有渐变结构的单极子贴片，实现了在较宽频带上良好的阻抗匹配。采用HFSS仿真软件对天线进行仿真，仿真结果表明：天线具有单极子天线的辐射特性，天线带宽较宽，在3.01～6.1 GHz反射损耗小于-10 dB，相对带宽达到了67.8%，工作频段覆盖了3.5/5.2/5.5/5.8 GHz频段。天线具有较好的全向辐射方向图和增益，其尺寸小、结构简单和易于加工，能够广泛用于WLAN和WiMAX通信系统中。

单极子天线；开槽；双频段；WLAN；WiMAX

0 引言

随着通信技术的不断进步，各种通信方案层出不穷，其中WLAN和WiMAX是2种常用的无线局域网协议，具有较宽的带宽，能够提供高速的数据传输。因此研究一种能够同时工作于WLAN和WiMAX频段且带宽较宽的多频天线是十分必要的。

为了实现多频，可以采用多枝技术结构，这种结构由于结构简单而被广泛采用[1-2]。在单极子贴片上开缝，形成多个电流径，每个电流径也可以理解为一个枝节，也可以视为多枝结构[3-4]。但在多枝结构的天线中，三频及以上的多枝节结构的天线阻抗匹配设计较困难[5]。

此外，还可以采用多层结构技术实现多频设计，但是多层贴片增大了天线的体积和贴片的个数[6-7]。另外，采用开槽技术[8]、加载寄生单元[9]以及加载超材料也可以实现多频天线的设计。其中加载超材料虽然较好地降低天线的尺寸，但一般存在着带宽较窄，结构复杂，多个谐振模式的谐振频率难以调谐的问题[10-11]。

本文结合已有的研究，采取共面波导地面开缝结合单极子的方法，不仅实现了双频，而且天线设计较为简单。

1 天线的结构与设计

本文提出的天线结构如图1所示。

图1 天线结构图

根据相关研究，本文涉及的单极子贴片长度应该介于介质基板中的1/4等效波长和在空气中的1/4等效波长之间[12-13]，即13～21.5 mm。

通过单极子贴片底部对称得切去2个直角三角形，形成渐变结构，可以有效提高天线的工作带宽。经过仿真优化，得到没有地面开槽的S11曲线图如图2所示。由图2可见，在没有地面开槽时，单极子天线的-10 dB工作频段约为3～6.4 GHz，频段较宽，但是天线在5～6 GHz的阻抗匹配不是太好。为了使得天线形成第2个工作频段。采用在共面波导地上开槽的方法，槽的设计过程如图3所示。由图3可见，共面波导的地面中弯折的槽使得天线对低频和高频都有较好的阻抗匹配。

图2 没有地面开槽的S11图

图3 不同开槽下S11曲线图

2 参数分析与优化

为了对天线的性能进行优化，一般需要对天线的各个主要参数进行扫描和分析。首先对单极子贴片的尺寸变化对天线S11的影响进行分析。图4是单极子贴片长度l2对S11的影响。根据微带天线的设计原理，辐射贴片的谐振频率主要取决于其长度。如图4所示，l2越大时，天线的2个谐振频率逐渐变小，高频的阻抗匹配逐渐变好，而低频的阻抗匹配逐渐恶化。根据阻抗匹配和谐振频率的情况，当l2=20.5 mm时，天线的阻抗匹配和谐振频率都较为适合。

图4 单极子贴片长度l2对S11的影响

单极子贴片的宽度的变化会造成其阻抗的改变，因此也会对天线的谐振频率产生影响，辐射贴片的宽度越宽，谐振频率越小。如图5所示，在贴片的宽度w从15 mm逐渐增加到17 mm的过程中，天线的高频谐振频率减小明显，阻抗匹配也逐渐变好，低频受到的影响微乎其微。因此，为了保证天线在高频的工作频段覆盖5～6 GHz，且阻抗匹配较好，选取16 mm作为w的最优值。

图5 单极子贴片宽度w对S11的影响

共面波导的地平面的开槽使得天线在低频和高频的阻抗匹配都较好，从而形成2个谐振频率和1个较宽的工作频带。为此，对槽的长宽进行分析。

首先，对槽的宽度进行分析。槽的宽度Ws1对S11的影响如图6所示，随着Ws1变大，天线的谐振频率逐渐向高频移动，阻抗匹配也逐渐失配，故而Ws1=0.5 mm时天线的阻抗匹配最佳。槽宽度Ws2对于S11的影响如图7所示。随着Ws2的增大，天线的低频谐振频率向低频移动，高频谐振谐振频率向高频移动，阻抗匹配逐渐变好，选择Ws2=1 mm作为最优值。

图6 槽的宽度Ws1变化对S11的影响

图7 槽的宽度Ws2变化对S11的影响

此外，槽的长度对于地面电流的改变也是至关重要的因素。如图8所示，槽的长度gl1从4 mm增加到6 mm的过程中，天线的2个谐振频率不断增大，阻抗匹配在gl1=5 mm时最佳。槽的长度gl2对于S11影响如图9所示。gl2越大，低频阻抗匹配越好，而高频阻抗匹配越差。gl2选择2～3 mm中的2.5 mm作为最优值，以使得2个谐振频率的阻抗匹配都较好。

图8 槽的长度gl1变化对S11的影响

图9 槽的长度gl2变化对S11的影响

综上，槽的长宽对于天线2个谐振频点的频率和阻抗都具有影响，适当调整槽的长宽，可以使天线的2个谐振点的频率合适，阻抗匹配良好。

通过对天线的尺寸进行设计和优化，最终确定天线的尺寸参数如表1所示。

表1 天线结构参数/mm

3 仿真及测试结果分析

图10是天线的实物照片图，图11是天线的S11曲线图，由图可见，由于加工的精度不足，天线实测的工作频段约为2.9～3.86 GHz与5.1～6.31 GHz，天线的谐振频率有所偏移，3～4 GHz的阻抗匹配恶化，提高加工精度可能改善实测结果和仿真结果的吻合度。

图10 天线实物照片图

图11 天线的S11曲线图

由于条件的限制，没有对天线远场的性能进行测试，结合仿真结果对天线远场性能进行分析。图12为天线的在各个工作频率下的远场方向图，由于天线采用了对称设计，因此方向图也是对称的。天线在E面的方向图近似为8字形，H面为近似全向辐射。

图12 辐射方向图(仿真)

但随着频率的增高，天线在E面方向图产生了畸变。这是由于地面弯折的开槽产生了与单极子贴片上方向相反的纵向辐射电流，其辐射电场在槽附近会与单极子贴片产生的辐射相互抵消，故而方向图也随之变化。

图13给出了天线在工作频段内的增益仿真结果，由图可见，天线在低频(3.1～3.9 GHz)的最大增益约为1.72～2.17 dBi，在高频(5.2～5.9 GHz)的最大增益约为3.5～3.83 dBi。

图13 天线增益的仿真结果

4 结束语

仿真和实测结果表明，在共面波导地面开槽可以为天线带来新的谐振频率，谐振频率的大小主要取决于槽的长度，该频率下的阻抗匹配则主要取决于槽的宽度；而在单极子贴片下部采用渐变结构可以有效地改善天线在较宽频段上的阻抗匹配。本文的研究表明这2种结构的结合，可以使得单极子天线具备2个工作频段，且工作带宽较宽。天线辐射特性和单极子天线基本相同，辐射增益较好。但天线在槽产生的谐振频率附近辐射方向图发生了畸变，这还需要进一步研究和改进。

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A Novel Design of Dual-band Monopole with Slots on Ground Plane

TANG Yu-zhu,MA Wen-ying,WEI Yao-hua

(College of Communication Engineering,Chengdu University of Information Technology,Chengdu Sichuan 610225,China)

A novel dual-band monopole applied in wireless communication is developed,and the antenna is fed by CPW.The size of antenna is only 30 mm×25 mm×0.8 mm,and the substrate is FR4.The antenna is designed based on planar monopole,by adding slots in the ground of CPW,it can work in two bands,and the impedance matching is improved as tapered structure is added in the monopole patch.Numerical simulation on the characters of the antenna is performed with HFSS software.The simulation results demonstrate that the antenna has the radiation features similar to monopole,and has wider bandwidth,S11 is less than -10 dB within 3.01～6.1 GHz,the relative wideband of the antenna is 67.8%,and the operating frequency band can cover 3.5/5.2/5.5/5.8 GHz.Moreover,the antenna has omnidirectional radiation pattern and good radiation gain.It has small size and simple structure,and is easy to be fabricated.Therefore,the antenna can be widely used in WLAN and WiMAX communication system.

monopole;slot;dual band;WLAN;WiMAX

10.3969/j.issn.1003-3114.2017.01.18

唐雨竹，马文英，魏耀华.一种地面开槽的双频宽频单极子天线[J].无线电通信技术,2016,43(1):73-76,88.

2016-09-20

唐雨竹(1990—)，男，硕士研究生，主要研究方向:天线与亚波长电磁结构。马文英(1984—)，女，副教授，主要研究方向:微电子与电磁结构。魏耀华(1990—)，男，副教授，主要研究方向:传感器与电磁结构。

TN828.4

A

1003-3114(2017)01-73-4