一种L 型多频带WLAN、WiMAX 的微型天线

魏东来，南雪莉，夏 鹏

（1.山西大学数学科学学院，山西太原 030006；2.山西大学自动化与软件学院，山西太原 030006）

在现代无线通信系统中，多频段天线对满足无线业务需求起着非常重要的作用[1]。微带天线结构简单、体积小、质量轻，已经被广泛应用到无线通信中[2]。而用于无线局域网络(WLAN)和全球微波互联接入(WiMAX)无线系统的多频天线是近年来研究的热点[3]。根据IEEE 的标准，WLAN 的2.4G 频段主要分布在2.4～2.483 5 GHz，5G 频段主要分布在5.030～5.835 GHz；对于WiMAX 主要集中在2.5 GHz、3.5 GHz 和5.5 GHz 的频段[4]。为了实现这些标准，许多国内外学者进行了研究，设计了不同的天线，取得了一定的成果[5-9]，不过有的天线还需要改进。微带天线的缺点是带宽窄，制约着其在这些领域的应用[10]，该文采用共面波导的馈电方式，其容易制作，不需要打眼过孔，辐射损耗小，相互之间的串扰比较小，适合和无源或者有源的表面贴片元件进行串联或并联[11]。CPW 馈电的平面天线带宽宽、成本低，易于与射频前端电路集成[12]。

1 天线结构的设计

1.1 共面波导天线

该天线是由一个开口谐振环、有限地共面波导接地面、共面波导馈电线和介质基板组成。其中，共面波导馈电线上接了一个L 型枝节，有限地共面波导接地面进行了开槽缝隙处理。天线整体尺寸为31 mm×31 mm，介质基片的相对介电常数为εr=4.4，损耗角正切值tanδ=0.02，介质基板厚度h=0.8 mm，采用50 Ω 共面波导馈电。共面波导的横截面如图1所示，所有导体都在一个平面内，能量在其中以准TEM 波的方式传播[13]。

图1 共面波导的横截面图

1.2 多频共面波导天线结构设计

天线的设计过程分为三步，分别为最初结构、修改结构和最终结构。每一步的结构分别在前一步的结构上进行改进，三种天线的结构如图2 所示。

图2 三种天线的结构

天线的最初设计模型如图2(a)所示，只有矩形辐射贴片和矩形接地板，电流从馈电端到辐射贴片，辐射频率只能满足2.3～4.3 GHz，天线采用共面波导馈电方式，馈电端两边的共面接地部分采用不相等大小的结构，还进行了开槽缝隙处理，这样可以改变天线电流的传播路径，增加天线的带宽覆盖[16]。图2(b)为修改结构，是在原有结构的矩形辐射贴片上加入L 型枝节，从天线回波损耗图中可以看出，天线的低频谐振点向左移动至2.1 GHz 处，同时由于加入了L型枝节，激发了第二个谐振频点为4.0 GHz。图2(c)在修改结构的基础上，在介质基板的上方加入了一个开口谐振环，可以在不改变天线尺寸的前提下，激发第三个谐振频点为4.6 GHz，同时拓宽了天线的频段带宽[17-18]。

这三种结构的共面波导馈电天线的仿真S11 曲线对比如图3 所示。通过图3 可以看到，结构1 的回波损耗比较差只有23 dB 左右，所覆盖的频段也比较单一，只有2.6 GHz。结构2 相比于结构1，由于辐射贴片上增加了一个L 型枝节，进而使得该天线增加了一个谐振点，同时低频点回波损耗也变得更好，但是谐振点只有两个，5 GHz 附近缺少谐振频点，仍然不能够满足WLAN、WiMAX 频段工作的要求；结构3在第二个结构的基础上，天线介质基片上的左边部分增加了一个开口谐振环，使得天线出现了三个谐振点，同时回波损耗效果更好。通过对结构3 天线的仿真和优化，可以让结构3 的天线覆盖2.4～2.48 GHz、3.4～3.6 GHz 和5.0 GHz 频段，使得天线可以同时工作于WLAN 和WiMAX 频段。通过对比三种结构天线的回波损耗图，得出天线的最终结构如图4所示。

图3 三种结构的共面波导馈电天线的仿真S11曲线对比

图4 天线最终结构

2 天线的仿真与优化

通过对参数的仿真优化，可以得出天线最佳性能参数。下面分别对天线的关键参数L 型枝节的长度以及开口谐振环的环形长度的变化进行分析，进一步探讨天线的最佳参数。

参数L 型枝节的长度变化对天线回波损耗的影响如图5 所示，通过图5 可以得出，随着L 型枝节长度的增加，天线的低频谐振点没有发生转移，回波损耗在逐渐变小；在3～4 GHz之间的谐振点逐渐发生了右移，从L型枝节长度为18.9 mm所对应的中频3 GHz逐渐右移到L 型枝节长度为23.1 mm 所对应的中频3.6 GHz；变化较大的高频谐振点随着长度的增加而左移，从L型枝节长度为18.9 mm所对应的高频5 GHz逐渐左移到L 型枝节长度为23.1 mm 所对应的高频4.5 GHz。

图5 天线的回波损耗随L型枝节长度的变化曲线

当开口谐振环的环形边长发生变化时，对不同长度的开口谐振环进行仿真，仿真结果如图6 所示。可以看到，开口谐振环的环形长度的增加对2～3 GHz 频段和3～4 GHz 频段的影响较小，主要是影响了4 GHz之后的频段，说明开口谐振环主要影响天线高频段的谐振频率和回波损耗，而中间3～4 GHz 频段也受到了影响，证明在组成天线的每个结构之间，都存在着一定的相互影响。为了能够更好地覆盖这些频段，从中获得最佳性能，最后选取了L 型枝节长度为20.3 mm 和开口谐振环环形长度为22.8 mm 作为最终结构的参数。

图6 天线的回波损耗随开口谐振环的环形长度的变化曲线

表1 为通过仿真优化之后的天线最优尺寸参数，其中，L1为天线的长度和宽度，L2为天线内环切割方形的边长，L4为开口谐振环内壁宽度，Ls为开口谐振环长度，Ld为辐射片的长度，Wd为共面波导馈电线上半部分贴片的宽度，W1和W2分别为共面波导接地部分的上半部长度和中间裁剪的方形边长，Ws为馈线下部分的宽度，g为馈线和接地部分的间距。

表1 天线尺寸信息

图7 为该天线分别在谐振点2.4 GHz、3.5 GHz 和5 GHz处的二维辐射方向图。由图7(a)可知，在2.4 GHz频段时，天线的E 面大约呈现8 字型对称，基本满足全向性特性，H 面上也基本满足全向性特性，效果较好；由图7(b)中可知，在3.5 GHz 频段上，天线的E 面方向图和H 面方向图都表现出了较好的方向性；图7(c)是在5 GHz 频段上天线的方向图，可以得出天线在E 面效果满足8 字形，符合全向性特性，H 面全向性效果稍差一些，也基本满足全向性。增益部分5 GHz 频段增益较好，中间3.5 GHz 频段的增益较好，但是低频点2.4 GHz 频段增益较低，还有待提高。

图7 天线在2.4/3.5/5 GHz频段的辐射方向图

3 结论

该文基于CPW 馈电方式设计了一款L 型枝节多频带，应用于WLAN、WiMAX 的微型天线，该天线由加了L 型的枝节的辐射贴片、开口谐振环、共面接地部分和介质基板组成。通过仿真可以得出，天线可以工作在WLAN（2.4～2.48 GHz）、（5.0～5.15 GHz）和WiMAX（3.4～3.6 GHz）的频段上，回波损耗可以达到30 dB，并且带宽很高，达到了UWB 效果，增益良好。通过对贴片添加L 型枝节和在介质基片上添加开口谐振环，使得天线又激发了两个频段，扩展了带宽，使得2.0～6 GHz 频段几乎全部满足-10 dB 阻抗带宽频段。优化后的天线整体辐射性能较好，中低频段天线的增益较好，但是受到介质基片和天线等效面积的影响，低频段天线的增益相比较差，后续还需要进行优化。总体而言，天线性能良好，具有应用在WLAN、WiMAX 频段领域的价值。