一种适用于WLAN和WiMAX 的三频圆极化开缝天线

2020-06-18李玲玲冯全源邱培熠

应用科技 2020年1期

李玲玲，冯全源，邱培熠

西南交通大学信息科学与技术学院，四川成都 611756

近年来，无线通信服务迅速发展，其中全球微波互联接入(WiMAX)和无线局域网(WLAN)广泛用于多种应用。为了满足无线通信大容量、多功能的需求，诸如WLAN和WiMAX的现代无线通信系统需要在多个频带上工作[1-3]。除了多频带要求之外，在许多情况下还需要圆极化天线[4-7]，因为与线极化天线相比，它们具有减少极化失配、抑制多径干扰等优点。因此，具有多频圆极化特性的天线已成为研究热点。文献[8-15]对多频圆极化天线进行了大量的研究。

本文针对WLAN和WiMAX应用，提出了一种三频圆极化开缝天线。该天线由C形辐射贴片和具有垂直缝和似勺状枝节的开缝地平面组成。通过似勺状枝节和垂直缝的干扰，从而实现了三频圆极化特性。

1 天线设计

在文献[5]中，双频圆极化微带单极子天线由C形和L形馈线，以及地平面组成。该天线易于制造，但低频段的轴比带宽相对较窄。与文献[5]类似，另一种双频圆极化天线[6]也具有简单的结构，包括一个F形单极子和一个倒L形条带。然而它仅覆盖了2.4/5.2 GHz WLAN频段。文献[16]通过调整半圆形互补单极子结构和2个互补调谐短截线实现双频圆极化特性。但其中一个轴比带宽仅为1.66%(2.39～2.43 GHz)。微带贴片天线[17]使用双层结构来获得三频圆极化性能，但每个轴比带宽都很窄。在文献[18]中，一个倒U形辐射贴片围绕水平轴旋转45°，并与一个I形和倒L形条带连接，用于设计三频圆极化天线，并应用频率选择表面(FSS)来实现四频圆极化天线[19]。虽然使用了简单的FSS，但它增加了天线的轮廓。单极子天线[20]采用5个半环形弧作为辐射元件，通过在地面上插入一个C形槽，实现了四频圆极化辐射。本文设计出了新的三频圆极化天线。

1.1 天线结构

天线的结构示意图如图1所示，该天线总体尺寸为50 mm×50 mm×0.8 mm。天线采用FR4基板(厚度：0.8 mm，损耗角正切：0.02，相对介电常数：4.4)，并通过共面波导馈电。其中心信号线宽度为3.0 mm，信号线与周围地面之间的间隔为0.35 mm，使共面波导的特性阻抗为50 Ω。天线由C形辐射贴片和调整后的接地板组成，两者位于基板的同侧。C形辐射贴片具有图1(a)中所示的尺寸，并且连接在共面波导馈线的末端。此外，从共面波导馈线的两侧移除两个相同的矩形缺口能帮助调节带宽。地平面是非对称的，其结构如图1(a)所示，通过高度不对称激发高频段圆极化特性[21]。由于其地板高度的不对称性以及开缝、似勺状枝节和地板右下角垂直缝的微扰，从而实现了三频圆极化。所提出的天线由电磁仿真软件Ansoft HFSS 18.0对天线模型进行仿真和优化。

图1 天线结构示意图和尺寸/mm

1.2 设计分析

图2 天线设计过程

图3 不同结构的天线的仿真结果

天线1利用宽缝天线的宽频特性，在2～6 GHz获得了较宽的阻抗带宽，从图3(b)可以看出，虽然实现了4.65～5.11 GHz之间的轴比带宽，但2～4 GHz的圆极化特性还不能满足要求。天线2在接地板的左下方开了一个长度为7.0 mm的槽，并将L形分支与接地板连接以形成开缝结构。如图3所示，当添加开缝结构后，结果显示天线2的阻抗带宽保持不变，甚至比天线1更好。低频段的圆极化特性也得到改善，但它仍然不具备多频和宽带圆极化特性。为了进一步扩展天线2的圆极化带宽。天线3在接地板上增加了一个类似勺状的枝节。从图3中天线3的特性可以看出，轴比带宽明显变宽，但是由于似勺状结构与C形辐射贴片之间存在较强的电容耦合，使得天线3的工作带宽减小至2.3～4.18 GHz。尽管似勺状枝节可以使天线3获得较宽的轴比带宽(4.21～6.00 GHz)，但即使对其尺寸进行优化，也只能获得单个轴比带宽。所以，在天线3的结构基础上，天线4在接地板右下角靠近信号线的地方开了一个垂直缝，根据图3(a)中天线4的结果可以看出，采用垂直缝后，工作频段变宽，这主要是由于C形辐射贴片与接地板之间的电容耦合变弱，改善了似勺状枝节对阻抗带宽的负面影响。如图3(b)所示，该方法不仅使高频段的阻抗带宽有所改善，而且获得了三频圆极化特性。

为了说明3dB轴比带宽是如何随着设计过程而提高的，图4给出了天线1～4的电场水平分量和垂直分量在主轴方向上的幅度比和相位差。圆极化可以通过激励两个振幅相等、相位差为90°的正交模产生。对于天线1，电场分量在中频段具有90°的相位差，但此时的振幅比远远超过1，所以，天线1在中频段无法实现3 dB轴比带宽。如图4(b)所示，在天线2引入开缝结构后，与天线1相比，振幅比更接近1。然而，这些变化远远不够。之后在天线3中增加了一个似勺状的枝节。如图4所示，在较宽的频率范围内，相位差的变化保持在90°左右，振幅比也保持在1左右。因此，天线3获得了较宽的轴比带宽(4.21～6.00 GHz)。此外，如图4(a)和(b)所示，天线4引入的垂直缝能够提供圆极化所需的相位差，以及相等的电场振幅。由于合适的相位差和合适的振幅比，实现了另外2个圆极化带宽。

图4 辐射电场分量的相位差和幅度比

图5 展示了分别在2.296、3.592和4.912 GHz下0°和90°相位处天线的表面电流分布，用以解释圆极化机理。图5中的黑色箭头表示一个电流矢量，红色箭头表示所有主要电流的矢量和。从图5(a)可以看出，在0°时，电流主要分布在似勺状枝节和C形辐射贴片上，在90°时，电流主要集中在似勺状枝节上。红色箭头在0°和90°是正交的，并且随着时间的增加逆时针旋转，从而向主轴方向辐射右旋圆极化波。类似地，对于3.592 GHz和4.912 GHz，电流方向随时间逆时针旋转，也向主轴方向辐射右旋圆极化波。

1.3 优化仿真

为了分析天线相应结构的参数对轴比和阻抗带宽的影响，使天线达到更好的优化性能，本节研究了不同的参数对天线性能的影响。当研究一个参数时，所有其他参数保持最佳。图6给出了似勺状枝节的长度(L1)对天线阻抗带宽和轴比带宽的影响。很明显，改变L1会对轴比带宽和阻抗带宽产生很大的影响。虽然当L1减小时实现了更宽的阻抗带宽，但圆极化性能在2～4.5 GHz有所恶化。同时，在图7中还研究了垂直缝的长度(L2)对天线性能的影响。从仿真结果可以看出，L2的变化对阻抗带宽影响很小。当L2增加时，高频段的阻抗带宽逐渐恶化。另外，发现低频段和中频段轴比带宽对L2的变化非常敏感。随着L2从3.0 mm增加到7.0 mm，中低频段的圆极化性能显著提高，当L2=7.0 mm时出现3个轴比带宽，但当L2从7.0 mm变化到9.0 mm时，圆极化性能又出现恶化。综合考虑L1和L2对天线性能的影响，最终长度为L1=14.0 mm，L2=7.0 mm。