湯 雪 彬

（1. 江蘇省物聯(lián)網(wǎng)與制造業(yè)信息化工程研究中心，江蘇 常州 213164；2. 常州機(jī)電職業(yè)技術(shù)學(xué)院，江蘇 常州 213164）

應(yīng)用于WLAN/WiMAX的CPW饋電雙頻天線設(shè)計(jì)

湯 雪 彬1,2

（1. 江蘇省物聯(lián)網(wǎng)與制造業(yè)信息化工程研究中心，江蘇 常州 213164；2. 常州機(jī)電職業(yè)技術(shù)學(xué)院，江蘇 常州 213164）

提出并制作了一種新穎的應(yīng)用于WLAN和WiMAX的CPW（共面波導(dǎo)）饋電雙頻天線。該天線由L形縫隙和T型諧振器構(gòu)成。仿真和實(shí)測結(jié)果表明，該天線S11≤-10 dB的阻抗帶寬分別為2.38～3.38 GHz以及5.17～5.9 GHz，覆蓋了WLAN和WiMAX的所有工作帶寬。此外，該天線在所有工作頻段都具有適度的增益，并且結(jié)構(gòu)緊湊，尺寸只有30 mm×35 mm×1.6 mm。天線的實(shí)測結(jié)果與仿真結(jié)果具有較好的吻合性。

共面波導(dǎo)饋電；雙頻天線；微帶；WLAN/WiMAX；帶寬；通信

近年來，隨著多頻段多業(yè)務(wù)無線通信系統(tǒng)的飛速發(fā)展，適用于無線局域網(wǎng)(WLAN)和全球微波互聯(lián)接入(WiMAX)等應(yīng)用的多頻段通信系統(tǒng)的多頻段微帶天線得到了迅速的發(fā)展。由于具有結(jié)構(gòu)緊湊、成本低、易于制造等特點(diǎn)，多頻段微帶天線受到了許多研究者的廣泛關(guān)注，并且提出多種適用于WLAN/WiMAX的多頻段天線，如共面波導(dǎo)（CPW）饋電的天線[1-5]，單極子天線[6-9]，U形[10]、S形[11]和C形[12]縫隙天線，植入式天線[13]，以及平面倒F天線（PIFA）[14]等等。其中，CPW饋電天線具有許多優(yōu)點(diǎn)，如體積小、結(jié)構(gòu)簡單、易于集成等。其他類型的天線雖然有其自身的優(yōu)點(diǎn)，但也存在許多弊端，例如：單極子天線比CPW饋電的天線具有更高的輻射損耗，因?yàn)槲鬏斁€比CPW線更分散；縫隙技術(shù)雖然可以減小天線的電路尺寸，但其結(jié)構(gòu)復(fù)雜；植入式天線是非平面的，具有復(fù)雜的結(jié)構(gòu)，增加了成本和制造難度；而PIFA天線的阻抗帶寬比CPW饋電天線更窄[15]。

本文提出了一種新型的適用于WLAN和WiMAX的平面雙頻天線設(shè)計(jì)方案，天線由L形縫隙和T型諧振器構(gòu)成，與其他C型、S型CPW饋電的天線相比，具有體積小、結(jié)構(gòu)簡單等特點(diǎn)。同時(shí)，其阻抗帶寬可以通過改變L形縫隙的尺寸參數(shù)來控制，天線的阻抗帶寬覆蓋了WLAN和WiMAX通信系統(tǒng)的所有工作頻段。仿真與實(shí)際測量結(jié)果表明，本文提出的雙頻天線適用于WLAN/WiMAX通信系統(tǒng)，且工作穩(wěn)定，輻射性能良好。

1 天線設(shè)計(jì)

本文設(shè)計(jì)的雙頻天線的結(jié)構(gòu)如圖1（a）所示，圖1（b）展示了加工的天線原型照片。從圖1中可以看出，該天線由L形縫隙和T型諧振器構(gòu)成，天線被印制在一塊30 mm×35 mm×1.6 mm的FR4介質(zhì)板上，介質(zhì)板的相對介電常數(shù)為4.4，損耗角正切為0.02。各部分尺寸參數(shù)值見表1。

圖1 天線結(jié)構(gòu)示意圖和照片F(xiàn)ig.1 Schematics of configuration and photograph of the antenna

表1 天線各部分尺寸參數(shù)Tab.1 Values of dimension parameters of the antenna mm

圖2所示為三種類型的CPW饋電的天線結(jié)構(gòu)，對其在不同頻率條件下的反射系數(shù)與電場分布進(jìn)行模擬測量。圖3顯示了這三種類型CPW饋電天線的仿真S11曲線。其中天線1和天線3阻抗帶寬范圍被設(shè)計(jì)在2.38～3.38 GHz低頻段，而天線2用于實(shí)現(xiàn)高頻段，三者結(jié)合形成了雙頻天線。此外，每個(gè)諧振單元的尺寸約等于四分之一的波導(dǎo)波長，即λg/4，于是所設(shè)計(jì)的中心頻率f可由以下公式[16]計(jì)算得到：

式中：c是在自由空間中的光速；λg為介質(zhì)中的導(dǎo)波長；εeff為有效介電常數(shù)；εr為介質(zhì)基板的相對介電常數(shù)。

圖2 三種類型天線的結(jié)構(gòu)圖Fig.2 Schematics of 3 kinds of antennas configurations

圖3 三種天線的模擬反射系數(shù)Fig.3 Simulated reflection coefficients of 3 kinds of antennas

為了進(jìn)一步詳細(xì)說明文章提出的雙頻段天線的性能，利用高頻結(jié)構(gòu)仿真軟件HFSS進(jìn)行了全波仿真。圖4分別給出了頻率為2.5，3.5，5.5 GHz處天線的表面電場分布示意圖。

圖4 天線的表面電場Fig.4 Surface electric field distribution of antennas

值得注意的是，在2.5 GHz頻率下大部分電場分布在L形槽附近，在3.5 GHz頻率下大部分電場分布在T型諧振器的一側(cè)，而在5.5 GHz頻率下電場則集中在T型諧振器的另一側(cè)。

圖5模擬了l1、l2和l3的變化對CPW饋電雙頻段天線的反射系數(shù)的影響。從圖5（a）可以看出，在3.5 GHz頻率附近，諧振頻率隨著l1的增加逐漸降低。由圖5（b）和5（c）則可以看出，在5.5 GHz和2.5 GHz頻率附近，諧振頻率則受l2和l3的長度影響。因此，本文提出的CPW饋電雙頻天線的性能可通過調(diào)節(jié)l1、l2和l3來進(jìn)行優(yōu)化。

圖5l1、l2和l3的變化對CPW饋電雙頻天線的反射系數(shù)的影響Fig.5 Simulated reflection coefficients of the proposed antenna with variedl1,l2,l3

2 結(jié)果分析

圖6給出了對本文提出的雙頻天線反射系數(shù)的模擬和測試結(jié)果，測量工作是在Agilent N5244A網(wǎng)絡(luò)分析儀上完成。從圖中可以看出，雙頻段天線的阻抗帶寬在2.38～3.38 GHz以及5.17～5.9 GHz，工作頻段幾乎覆蓋了WLAN和WiMAX的所有工作帶寬。且從圖6中可以看出，仿真和實(shí)測結(jié)果之間基本吻合。

圖6 模擬和測量的天線反射系數(shù)Fig.6 Simulated and measured reflection coefficients of the proposed antenna

圖7（a）、（b）和（c）分別給出了中心頻率在2.5，3.5，5.5 GHz時(shí)，雙頻天線E面和H面的遠(yuǎn)場輻射仿真與測量數(shù)據(jù)。從圖7（a）和（b）中可以看出，中心頻率在2.5和3.5 GHz時(shí)，H面具有全向輻射，E面的輻射圖看起來像數(shù)字8，類似于偶極子的輻射圖。而圖7（c）則顯示，在5.5 GHz時(shí)，E面和H面的輻射圖都與偶極子的類似。

圖7 中心頻率在2.5，3.5和5.5 GHz時(shí)E面和H面的遠(yuǎn)場輻射仿真與測量數(shù)據(jù)Fig.7 Simulated and measured radiation patterns of the proposed antenna at 2.5, 3.5, 5.5 GHz

圖8顯示了雙頻天線在所有工作帶的峰值增益。從圖中可以得出，兩個(gè)頻帶的平均峰值增益約為2.03和3.04 dBi，且工作穩(wěn)定。

為了直觀說明本文設(shè)計(jì)的雙頻天線的性能，文章選取了參考文獻(xiàn)中幾款天線作為參照進(jìn)行對比，如表2，可以看出，本文設(shè)計(jì)天線具有更小的尺寸和更寬的阻抗帶寬。

圖8 雙頻天線的工作帶增益Fig.8 Peak gains of the proposed dual-band antenna

表2 本文設(shè)計(jì)天線與其他天線對比Tab.2 Comparison of the proposed antenna with other reported works

3 結(jié)論

提出了一種應(yīng)用于WLAN和WiMAX的共面波導(dǎo)饋電雙頻天線。通過引入L形槽和T型諧振器，使得天線可以同時(shí)工作在兩個(gè)頻段。該天線結(jié)構(gòu)簡單，且尺寸只有30 mm×35 mm×1.6 mm。測試結(jié)果表明，該天線覆蓋了所有的WLAN和WiMAX的工作帶寬，非常適用于WLAN和WiMAX等現(xiàn)代無線通信系統(tǒng)。

[1] LIAO X J, YANG H C, HAN N, et al. Aperture UWB antenna with triple band-notched characteristics [J]. Electron Lett, 2011, 47(2): 77-79.

[2] 趙慶平, 李素文, 朱亮. 箭形共面波導(dǎo)超寬帶天線的設(shè)計(jì) [J]. 電子元件與材料, 2013, 32(1): 38-41.

[3] HUANG C Y, YU E Z. A slot-monopole antenna for dual-band WLAN applications [J]. IEEE Antenna Wireless Propagation Lett, 2011(10): 500-502.

[4] 賈宇, 劉建霞, 蔡冬梅, 等. 應(yīng)用于WLAN/WiMAX的雙1型雙頻微帶天線設(shè)計(jì) [J]. 電子元件與材料, 2014, 33(12): 52-56.

[5] LI J, HUANG S S, ZHAO J Z. A compact CPW-fed tri-band antenna for WLAN/WiMAX applications [J]. Open Sci J Electr Electron Eng, 2014, 4(1): 21-25.

[6] HUANG S, LI J, ZHAO J. Miniaturized CPW-fed triband antenna with asymmetric ring for WLAN/WiMAX applications [J]. J Comput Networks Commun, 2014(ID419642): 1-8.

[7] KOO T W, KIM D, RYU J I, et al. A coupled dual-U-shaped monopole antenna for WiMAX triple band operation [J]. Microwave Opt Technol Lett, 2011, 53(4): 745-748.

[8] CHEN G, YANG X L, WANG Y. Dual-band frequency-reconfigurable folded slot antenna for wireless communications [J]. IEEE Antenna Wireless Propagation Lett, 2012(11): 1386-1389.

[9] PAN C Y, HORNG T S, CHEN W S, et al. Dual wideband printed monopole antenna for WLAN/WiMAX applications [J]. IEEE Antenna Wireless Propagation Lett, 2007(6): 149-151.

[10] WANG Y S, LEE M C, CHUNG S J. Two PIFA-related miniaturized dual-band antennas [J]. IEEE Trans Antenna Propagation, 2007, 55(3): 805-811.

[11] 黃姍姍, 李駿. 一種小型藍(lán)牙平面倒F天線設(shè)計(jì) [J]. 電子元件與材料, 2014, 33(4): 40-42.

[12] HUANG S S, LI J, ZHAO J Z. Design of a compact triple-band monopole planar antenna for WLAN/WiMAX applications [J]. Prog Electromagn Res C, 2014, 48: 29-35.

[13] 湯雪彬, 金舒萍. 應(yīng)用于WLAN/WiMAX的三頻段微帶縫隙天線設(shè)計(jì) [J]. 電子元件與材料, 2015, 34(10): 72-75.

[14] 李靖, 丁君, 郭陳江. 基于人工電磁材料的微帶貼片天線頻帶展寬[J]. 電子元件與材料, 2013, 29(3): 47-50.

[15] 劉彤, 樊宏, 沈連豐. 無線家庭網(wǎng)絡(luò)印制倒F型天線的分析與設(shè)計(jì)[J]. 東南大學(xué)學(xué)報(bào)(自然科學(xué)版), 2006, 36(2): 183-188.

[16] 波扎. 微波工程 [M]. 北京: 電子工業(yè)出版社, 2010.

（編輯：陳渝生）

CPW-fed dual-band antenna for WLAN/WiMAX application

TANG Xuebin1,2
(1. Jiangsu Internet of things and Manufacturing Information Engineering Research Center, Changzhou 213164, Jiangsu Province, China; 2. Changzhou Institute of Mechatronic Technology, Changzhou 213164, Jiangsu Province, China)

A novel CPW-fed dual-band antenna for WLAN/WiMAX applications was proposed and fabricated, that consists of L-shape slols and T-shape resonantors. Results denote that the impedance bandwidths of the antenna withS11≤-10 dB are 2.38-3.38 GHz and 5.17-5.9 GHz, covering all the WLAN/WiMAX operation bands. In addition, the proposed antenna with a compact size of only 30 mm × 35 mm × 1.6 mm, has moderate gains across all the operation bands. The antenna measured results are in good agreement with simulated ones.

CPW-fed; dual-band antenna; microstrip; WLAN/WiMAX; bandwidth; communication

10.14106/j.cnki.1001-2028.2016.08.015

TN82

:A

:1001-2028（2016）08-0065-04

2016-07-04

湯雪彬（1981-），男，江蘇常州人，講師，碩士，研究方向?yàn)橥ㄐ排c信息系統(tǒng)，E-mail:tang_xue_bin@163.com 。

時(shí)間：2016-08-03 22:36

： http://www.cnki.net/kcms/detail/51.1241.TN.20160803.2236.015.html