应用于WLAN/WIMAX的宽频带单极子天线

刘 敏， 张斌珍， 段俊萍， 王 颖

(中北大学 仪器科学与动态测试教育部重点实验室， 山西 太原 030051)

应用于WLAN/WIMAX的宽频带单极子天线

刘 敏， 张斌珍， 段俊萍， 王 颖

(中北大学 仪器科学与动态测试教育部重点实验室， 山西 太原 030051)

针对应用于WLAN/WIMAX的双频和三频天线， 通过构造6/9形辐射贴片和接地板开槽的方式， 本文设计了一款结构简单的6/9形宽频带单极子天线. 仿真结果表明： 天线低频的相对带宽为14.8%(2.36～2.73 GHz)， 高频的相对带宽为52.8%(3.463～5.944 GHz). 天线可同时接受WLAN(2.5/5.2/5.8 GHz) 和WIMAX(3.5/5.5 GHz)等多个频率. 在整个工作频带内天线的电压驻波比小于2. 实测结果表明， 加工的天线低频的谐振频率为2.58 GHz， 工作带宽为2.33～2.9GHz， 相对带宽为22.1%(是仿真天线的1.46倍)； 高频的谐振频率为4.705 GHz， 工作带宽为3.45～5.96 GHz， 相对带宽为53.4% (是仿真天线的1.06倍)， 加工的天线比仿真模型的频段更宽. 实现了一个结构简单且易于加工的天线设计， 可以很好地接受WLAN/WIMAX的多个频率， 且有较好的辐射特性， 提高了天线的性能.

WLAN/WIMAX； 宽频带； 单极子天线； 微带馈电； 缝隙天线

Abstract: For dual-frequency and tri-frequency antennas applied to WLAN/WIMAX, by constructing a 6/9 radiation patch and sloting the ground plane , this paper designs a simple 6/9 broadband monopole antenna. Simulation results show that the relative bandwidth of low frequency of antenna is 14.8%(2.36～2.73 GHz), and the relative bandwidth of high frequency of antenna is 52.8%(3.463～5.944 GHz). Antenna can simultaneously accept multiple frequencies of WLAN(2.5/5.2 /5.8 GHz)and WIMAX(3.5/5.5 GHz). The voltage standing ratio of the antenna is less than 2 in the whole working band. The measured results show that the low-frequency resonant frequency of the designed antenna is 2.58 GHz, the working bandwidth is 2.33～2.9 GHz, and the relative bandwidth is 22.1%(which is 1.46 times wider than the simulation antenna), the high-frequency resonant frequency is 4.705 GHz, the working bandwidth is 3.45～5.96 GHz, and the relative bandwidth is 53.4%(which is 1.06 times wider than the simulation antenna). The designed antenna is wider than the frequency band of the simulation model. An antenna with simple structure and easy processing can well accept multiple frequencies of WLAN/WIMAX and have good radiation characteristics, the method of this paper improve the antenna performance.

Keywords: WLAN/WIMAX； broadband ； monopole antenna； microstrip feed； slot antenna

天线作为信号的发射器和接收器， 其性能的优劣直接影响设备的性能， 再加上人们对小型化及宽带特性的需求， 希望实现整个系统只需要一个天线就可以正常地工作. 平面单极子天线具有剖面低﹑结构简单﹑易于加工﹑成本低等优点， 很多学者已对平面单极子天线进行了大量的研究[1-3]. 有一种倒 L型平面单极子天线[4-7]， 仿真上已经满足IEEE802.11a/b/g的标准要求， 其设计简单， 在满足带宽要求的基础上其体积可以更小. 人们相继研制出一种共面波导馈电的倒L-U型单极子天线[8,9]， 其设计可以覆盖WLAN的2.4， 5.2， 5.8GHz 3个频带的天线， 仿真与测试结果表明天线在WLAN的频段范围内均有良好的阻抗特性与辐射特性. 可应用于WLAN和WIMAX的开双L形槽的单极子天线[10,11]以及WLAN的双频单极子天线[12-14]. 有一种U型和L型的缝隙多频天线[15]可以工作在3个频带， 可以应用于WLAN和WIMAX系统中， 但该天线为定向辐射天线， 根据天线的特性， 人们在不断地研究中对天线进行了一系列的改进， 包括利用共面波导馈电[16,17]， 多层结构[18]， 缝隙加载技术[19]来实现带宽增加和天线尺寸的减小.

本文设计了一款6/9形宽频微带馈电的平面单极子天线， 该天线可以同时工作于WLAN(2.5/5.2/5.8 GHz)和WIMAX(3.5/5.5 GHz)等多个频率的宽频带单极子天线， 使天线能更好地工作. 使用仿真软件对天线的各个参数进行优化， 使该天线在WLAN(2.5/5.2 /5.8 GHz)和WIMAX(3.5/5.5 GHz)的频带范围内具有良好的阻抗匹配和辐射特性.

1 天线结构设计

图 1 设计天线的结构示意图Fig.1 Schematic diagram of the designed antenna

2 天线的优化与分析

相同尺寸的接地板未刻蚀缝隙的单极子天线作为对比的参考， 接地板未刻蚀缝隙的单极子天线与设计的天线都是中心微带线馈电. 图 2 给出了接地板未刻蚀缝隙的单极子天线(a=0 mm)与设计天线(a=3mm)的S11仿真曲线. 从曲线中可以看出a=0 mm时-10 dB的低频的中心频率为2.56 GHz， 工作带宽为2.38～2.78 GHz， 相对带宽为15.6%， 高频的中心频率为4.875 GHz， 工作带宽为3.69～6.06 GHz， 相对带宽为48.6%；a=3 mm时-10 dB的低频的中心频率为2.52 GHz， 工作带宽为2.35～2.73 GHz， 相对带宽为15.1%， 高频的中心频率为4.695 GHz， 工作带宽为3.51～GHz， 相对带宽为50.5%； 低频的谐振频率稍微左移， 高频的带宽增大了1.04倍， 且高频的谐振深度加深.

图 3 中给出了优化后天线的电压驻波比频率特性图， 可以看出VSWR<2的低频的频率范围为2.34～2.75 GHz， 高频的频率范围为3.46～5.95 GHz， 即在工作频段范围内天线的电压驻波比小于2， 天线可以有效地工作.

图 2 有不同缝隙宽度的设计天线的回波损耗频率特性图Fig.2 Frequency characteristics of the return loss of the designed antenna with different gap widths

图 3 天线的电压驻波比频率特性图Fig.3 Frequency characteristic of voltage standing wave ratio of the designed antenna

图 4 天线在不同频率时的电流分布仿真结果图Fig.4 Simulation results of the current distribution of the designed antenna at different frequencies

图 5 不同的l1值对天线性能的影响Fig.5 The influence of different l1 values on antenna performance

为了更直观地看到辐射贴片的不同长度对同各频率的影响， 首先从天线的电路分布图分析、 调节天线的性能. 从图 4(a) 中可以看出： 在2.5 GHz时电流主要沿着微带线、l3，w3，l7，w7边分布， 这是因为2.5 GHz时的谐振频率主要取决于微带线、l3，w3，l7，w7边； 从图4(b)中可以看出， 5.2 GHz处电流沿着微带线和l2边缘分布， 其他边上只有很少量的电流分布， 故微带线和l2的尺寸主要影响5.2 GHz 频率的特性； 其他边对5.2 GHz时的频率影响较小； 在图4(c)中， 5.5 GHz时电流主要分布在微带线、l2，w2，l3，w3边上， 故他们的长度决定5.5 GHz频率的特性； 从图4(d)中可以看出： 5.8 GHz 处电流主要分布在微带线、l2，w2，l3，w3，l4，l5，w5，l6，w6，l7，w7，l8边， 因此他们的长度决定5.8 GHz频率的特性.

通过电流分布图分析得到微带线的长度l1、 宽度w1及l2变化对各频率处影响都很大， 故在这里讨论他们尺寸的变化对天线性能的影响. 当w2=4 mm，l2=13 mm时， 微带传输线l1长度的变化对各频率处的影响如图 5 所示， 从图 5 中可知随着微带传输线l1由17 mm增加到19 mm， 天线的S11低频谐振频率稍微左移， 谐振深度加深； 中间谐振频率稍微右移， 谐振深度逐渐加深； 高频谐振谐振深度加深. 由此可知， 微带线的长度l1主要影响天线的低频谐振深度、 中间谐振频率、 谐振深度和高频谐振深度. 为了使低频在2.5 GHz处产生共振， 高频的S11<-10 dB. 所以微带线的长度l1选择19 mm.

当l1=19 mm，l3=13 mm， 微带线的宽度w1由3.8 mm增加到4.1 mm时， 对天线S11的低频谐振频率影响小； 中间谐振频率逐渐右移； 高频谐振深度变浅. 由此可知微带线的宽度w1主要影响天线的中间谐振频率和高频谐振深度. 如图 6 所示， 为了使天线在2.5 GHz处产生共振， 使S11<-10 dB， 所以微带线的宽度w1选择4 mm.

当l2=19 mm，w2=4 mm时，l2的长度变化对各频率的影响如图 7 所示. 当l2的长度由12 mm增加到14 mm时， 天线的低频谐振频率和谐振深度基本保持不变； 中间谐振频率逐渐左移； 高频谐振频率逐渐右移， 谐振深度基本保持不变. 由此可知，l2的长度主要影响中间频率的谐振频率和高频的谐振频率， 基本不影响低频谐振频率和谐振深度. 为了满足设计要求与微带线相连的l2的长度选择13 mm.

图 6 不同的w1值对天线性能的影响Fig.6 The influence of different w1 values on antenna performance

图 7 不同的l2值对天线的影响Fig.7 The influence of different l2 values on antenna performance

为了更直观地看设计天线的辐射方向图， 图 8 给出了该天线在2.5 GHz， 3.5 GHz， 5.2 GHz， 5.5 GHz， 5.8 GHz频率时E面和H面的方向图. 可以看出天线在各频率处有近似于全向辐射的方向图， 该天线在2.5 GHz时的最大增益可达到2.33 dB， 5.2 GHz时的最大增益可达到3.75 dB， 5.5 GHz时的最大增益可达到4.05 dB， 5.8 GHz时的最大增益可达到4.46 dB.

图 8 天线在不同频率时的2D方向图Fig.8 The 2D pattern of the designed antenna at different frequencies

3 天线的测试与结果

为了证实仿真结果， 加工制备了该天线实物样片， 天线的整体尺寸为37 mm*28 mm， 如图 9 所示. 使用安捷伦网络分析仪对天线进行了测试. 图 10 为S11测试与仿真结果的对比图， 可以看出， 加工的天线低频的谐振频率为2.58 GHz， 工作带宽为2.33～2.9 GHz， 相对带宽为22.1%， 是仿真天线的1.46倍； 高频的谐振频率为4.705 GHz， 工作带宽为3.45～5.96 GHz， 相对带宽为53.4%， 是仿真天线的1.06倍； 加工的天线比仿真天线的工作频段更宽. 造成误差的原因是： 天线表面的氧化、 加工精度的限制、 天线尺寸的误差、 环境温度的影响、 SMA接头焊接产生的影响等. 天线可以在有效工作带段内很好地工作.

图 9 加工天线的实物图Fig.9 Physical diagram of the designed antenna

图 10 S11的实测与仿真频率特性对比图Fig.10 Comparison of measured and simulated frequency characteristics of S11

4 结束语

本文在WLAN和WIMAX的双频﹑三频微带天线的基础上设计了一种新颖的6/9型宽频微带馈电的平面单极子天线， 实验结果表明： 相对于双频﹑三频天线， 该天线可以工作于WLAN(2.5/5.2/5.8 GHz) 和WIMAX(3.5/5.5 GHz)的多个频率， 且具有良好的辐射特性. 通过仿真软件优化天线结构各参数， 设计其尺寸为28 mm*37 mm， 设计的天线尺寸小， 结构简单， 易于加工. 根据仿真， 天线-10 dB 低频的中心频率为2.52 GHz， 工作带宽为2.35～2.73 GHz， 相对带宽为15.1%， 高频的中心频率为4.695 GHz， 工作带宽为3.51～5.88 GHz， 相对带宽为50.5%； 满足了WLAN和WIMAX的频段范围要求.

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BroadbandMonopoleAntennaAppliedtoWLAN/WIMAX

LIU Min, ZHANG Binzhen, DUAN Junping, WANG Ying

(Key Laboratory of Instrumentation Science & Dynamic Measurement(North University of China), Ministry of Education, Taiyuan 030051, China)

1671-7449(2017)05-0410-06

TN822+.8

A

10.3969/j.issn.1671-7449.2017.05.007

2017-01-10

国家自然基金资助项目(51475438、 61401405)； 山西省人社厅留学资助项目(20150603ZX)； 山西省自然科学基金资助项目(2014011021-4)； 联合基金重点支持资助项目(U1637212)； 山西省回国留学人员科研资助项目(2014-005)

刘 敏(1990-)， 女， 硕士生， 主要从事天线、 RF MEMS器件与系统等研究.