李建軍，于利娟，杜文權(quán)

(西安電子科技大學(xué)理學(xué)院，陜西西安 710071)

隨著現(xiàn)代無線通信技術(shù)的迅速發(fā)展，無線局域網(wǎng)(Wireless Local Area Networks，WLAN)得到廣泛應(yīng)用。WLAN是利用無線通信技術(shù)在空中傳輸數(shù)據(jù)、話音和視頻信號，使用戶可以隨時(shí)隨地地交換信息。全球微波互聯(lián)接入(Worldwide Interoperability for Microwave Access，WiMAX)是一項(xiàng)新興的寬帶無線接入技術(shù)，能提供面向互聯(lián)網(wǎng)的高速連接，數(shù)據(jù)傳輸距離最遠(yuǎn)可達(dá)50 km。目前的WLAN主要工作在2.45 GHz(2.4～2.484 GHz)、5.2 GHz(5.15～5.35 GHz)和 5.8 GHz(5.725～5.825 GHz)，而 WiMAX工作在 2.5 GHz(2.5～2.69 GHz)、3.5 GHz(3.4～3.69 GHz)和5.5 GHz(5.25 ～5.85 GHz)［1］。

在無線通信領(lǐng)域中，對微帶天線的一些如多頻段、低成本、小型化和易于加工的實(shí)際需要引起了人們的廣泛關(guān)注。常見的小型化多頻天線結(jié)構(gòu)是基于倒F天線的一些變形，這些設(shè)計(jì)利用倒F天線的小型化和低剖面優(yōu)勢，通過開槽、增加支節(jié)等方法實(shí)現(xiàn)多頻諧振。然而為實(shí)現(xiàn)多頻工作，引入的結(jié)構(gòu)往往比較復(fù)雜?；诖耍闹性O(shè)計(jì)了一種可同時(shí)工作于WLAN(2.4 GHz與5.8 GHz)和WiMAX(3.5 GHz)3個(gè)頻段的微帶天線。該天線通過3個(gè)L型微帶結(jié)構(gòu)1/4波長單極子的組合，實(shí)現(xiàn)了三頻帶的工作。天線幾何結(jié)構(gòu)簡單，介質(zhì)板采用1.52 mm的Rogers R04003，便于和微波集成電路實(shí)現(xiàn)集成化設(shè)計(jì)。

1 天線的結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)

(1)微帶貼片天線多頻段方法。從實(shí)現(xiàn)雙頻或多頻段工作的貼片結(jié)構(gòu)以及基板等物理結(jié)構(gòu)上來分類，實(shí)現(xiàn)雙頻或者多頻的基本方式主要有以下幾種:1)采用單一貼片，利用幾種不同的自然模式來實(shí)現(xiàn)雙頻或者多頻工作。2)采用單一貼片，通過加載或者開槽的方法改變貼片各種自然模式的場分布，從而使諧振頻率受到干擾，最終實(shí)現(xiàn)雙頻或者多頻工作。3)采用單層基板、多個(gè)貼片的結(jié)構(gòu)。如采用諧振頻率不同的貼片形成多諧振的特性;也可以采用多個(gè)輻射單元構(gòu)成多頻點(diǎn)諧振的微帶天線等。4)采用多層重疊貼片結(jié)構(gòu)。如利用多層貼片結(jié)構(gòu)形成多個(gè)諧振器，從而產(chǎn)生多頻段工作特性;采用多層貼片重疊，各自饋電的圓形貼片結(jié)構(gòu)得到具有雙頻段工作特性的微帶天線等。針對上面的微帶貼片天線多頻段的理論方法，文中采用單層基板、多個(gè)貼片的結(jié)構(gòu)使天線多頻段工作。

(2)微帶結(jié)構(gòu)1/4波長單極子天線。1/4波長單極子天線是將偶極子天線利用鏡像法，引入接地面后得到的，與偶極子天線相比，1/4波長單極子天線因?yàn)橐肓私拥孛?，電磁波只在接地面上方有輻射功率，從而使輻射功率只有半波偶極子的1/2。然而1/4波長偶極子天線方向性系數(shù)與半波偶極子天線均為2.15 dB。可以利用如圖1(a)所示的微帶線結(jié)構(gòu)實(shí)現(xiàn)1/4波長單極子天線，為進(jìn)一步縮小天線的幾何尺寸，還可以將天線折成如圖1(b)所示的L形結(jié)構(gòu)［2］。當(dāng)天線工作于中心頻率為2.4 GHz、3.5 GHz和5.8 GHz頻段時(shí)，這3個(gè)中心頻率的電磁波在自由空間中對應(yīng)的1/4波長分別約為31 mm、21 mm和13 mm;若電磁波在全部填充相對介電常數(shù)為3.38的Rogers R04003介質(zhì)中傳播，對應(yīng)的1/4波長分別約為15 mm、10 mm和3 mm。對于2.4 GHz的中心頻率，若采用自由空間波長，則1/4波長單極子天線的長度為31 mm;若采用介質(zhì)中的波長，則1/4波長單極子天線的長度為15 mm。對于PCB板上的微帶單極子天線，波的傳播既經(jīng)過介質(zhì)又經(jīng)過自由空間，因此實(shí)際波長應(yīng)該介于介質(zhì)的導(dǎo)波波長和自由空間的工作波長，從而得到2.4 GHz工作頻段的1/4波長單極子天線的長度應(yīng)該介于15～31 mm。同理，可得到3.5 GHz工作頻率的1/4波長單極子天線的長度介于10～21 mm，5.8 GHz工作頻率的1/4波長單極子天線的長度介于3～13 mm。通過調(diào)整微帶饋線的位置實(shí)現(xiàn)其與天線的阻抗匹配［3-5］。

圖1 微帶結(jié)構(gòu)1/4波長單極子天線

(3)三頻單極子天線結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)。按照微帶結(jié)構(gòu)1/4波長單極子天線的設(shè)計(jì)方法，設(shè)計(jì)了如圖2所示結(jié)構(gòu)的三頻單極子天線。天線的結(jié)構(gòu)大致分為6個(gè)部分:介質(zhì)層、L型高頻(5.8 GHz)單極子天線、L型中頻(3.5 GHz)單極子天線、L型低頻(2.4 GHz)單極子天線、微帶饋線和參考地。介質(zhì)層的材料使用Rogers R04003，相對介電常數(shù)為3.38，介質(zhì)層的上表面是微帶饋線和L型單極子天線，結(jié)構(gòu)如圖2所示。通過調(diào)節(jié)介質(zhì)層上表面3個(gè)L型結(jié)構(gòu)單極子天線的長度，可以得到所要求的天線諧振頻率。其中左側(cè)的L型結(jié)構(gòu)是中頻單極子天線，工作于3.5 GHz頻段;中間的L型單極子天線是高頻單極子天線，工作于5.8 GHz頻段;右邊的L型單極子天線是低頻單極子天線，工作于2.4 GHz頻段。介質(zhì)層下表面是L型單極子天線的參考地，結(jié)構(gòu)如圖2(b)所示［6-8］。根據(jù)偶極子天線和單極子天線的原理和高頻結(jié)構(gòu)仿真軟件HFSS對所設(shè)計(jì)的天線進(jìn)行仿真優(yōu)化，優(yōu)化后的天線尺寸如表1所示。

圖2 天線結(jié)構(gòu)

表1 天線結(jié)構(gòu)尺寸

綜上，優(yōu)化后的低頻單極子天線長度為

中頻單極子天線的長度為

高頻單極子天線的長度為

式(1)～式(3)中，優(yōu)化后單極子天線的實(shí)際長度約為1/4波長，2.4 GHz低頻單極子天線長度更接近相應(yīng)的1/4波長;而高頻單極子天線實(shí)際長度與低頻單極子天線長度相比電長度更?。?-10］。

2 天線特性仿真與結(jié)果分析

天線的回波損耗由圖3所示，天線在2.4 GHz、3.5 GHz和5.8 GHz時(shí)的S11值均低于-10 dB，帶寬分別約為108 MHz，138 MHz和552 MHz。天線能夠工作于WLAN2.4/5.8 GHz和WiMAX3.5 GHz頻段，此頻段符合 WLAN應(yīng)用的 IEEE802.11b/g頻段標(biāo)準(zhǔn)和WiMAX應(yīng)用的IEEE802.16d頻段標(biāo)準(zhǔn)要求。

圖3 回波損耗曲線

為進(jìn)一步研究三頻天線的特性，使用HFSS仿真了該天線在2.4 GHz、3.5 GHz和5.8 GHz時(shí)3個(gè)L形單極子天線的表面電流，如圖4所示。圖4(a)中強(qiáng)的電流分布位于輻射體右側(cè)較長的L形單極子天線上，表明該結(jié)構(gòu)是產(chǎn)生低頻(2.5 GHz)的諧振器。對于3.5 GHz的工作頻率，最強(qiáng)的電流分布存在于圖4(b)中輻射體左端L形單極子結(jié)構(gòu)上。由于該單極子天線的諧振特性，該設(shè)計(jì)可以得到寬頻帶，滿足3.5 GHz WiMAX標(biāo)準(zhǔn)。圖4(c)的結(jié)果表明第3個(gè)諧振模式(5.8 GHz)主要由輻射體中間的L形單極子天線的電流分布決定。

圖5～圖 7分別對應(yīng)天線工作于 2.4 GHz、3.5 GHz和5.8 GHz時(shí)在xoz平面與yoz平面的輻射增益方向圖。從增益方向圖可以看出，該天線在3個(gè)頻點(diǎn)上的性能與理想單極子天線性能較為相似，除5.8 GHz yoz面外，均類似于全向性。在平面上，天線的輻射方向圖更加接近于全向性。

圖7 5.8 GHz增益方向圖

圖8為天線在2.4 GHz、3.5 GHz和5.8 GHz頻點(diǎn)面內(nèi)增益方向圖，在低頻時(shí)具有相對較好的全向性，但在高頻時(shí)表現(xiàn)更多的有向性，這是因?yàn)楸趁娴木匦谓拥匕逶诟哳l的時(shí)候輻射更多的電磁波從而惡化了xoy面的全向性。

仿真結(jié)果同時(shí)表明，天線在2.4 GHz、3.5 GHz和5.8 GHz頻點(diǎn)下的增益分別為3.351 dB、3.262 dB和5.155 dB，表明天線具有良好的增益。

3 結(jié)束語

設(shè)計(jì)了一種結(jié)構(gòu)簡單的L型單極子三頻微帶天線，通過3個(gè)L型微帶結(jié)構(gòu)1/4波長單極子天線的組合，實(shí)現(xiàn)了三頻帶的工作，可工作于 WLAN(2.4/5.8 GHz)和WiMAX(3.5 GHz)所對應(yīng)的頻段上。同時(shí)天線具有良好的全向輻射特性和增益，適合在移動通信場合使用，天線幾何結(jié)構(gòu)簡單、易于加工制作、便于和微波集成電路實(shí)現(xiàn)集成化設(shè)計(jì)。

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