一种应用在WLAN/ WiMAX的宽带水平极化全向天线阵列

姜刚

【摘 要】本文研究了应用在WLAN/ WIMAX的一种宽带水平极化全向天线阵列，是由四个波纹加载的锥销缝隙天线（TSA）单元组成。加载波纹槽的目的是为了实现天线阵列的小型化。利用TSA单元的非谐振特性，该天线阵列的阻抗带宽（小于-10dB）可以达到1.5GHz（2.2-3.7GHz），覆盖了WLAN/ WIMAX频带。在工作频段内，E面方向图的增益变化小于1.6dB。

【关键词】宽带；水平极化；全向；锥销缝隙天线（TAS）；WLAN；WIMAX

0 引言

水平极化全向天线在室内基站无线通信中变得越来越有吸引力。水平极化全向天线设计的难点之一是阻抗匹配，环形天线的辐射电阻小且电抗高，在有限的带宽内阻抗匹配比较差[1]。自从一种水平极化的全向线结构Alford环形天线提出来之后[2]，一些相似的Alford环形天线被提出来并被研究[3-5]。通过加载周期平行板线（MNG-TL）设计了水平极化全向平面环形天线[6]。另一个难点是改善方向图不圆度。通过采用非谐振单元[7]，四单元偶极子阵列排成圆阵实现了水平极化全向辐射。阵列中偶极子阵元的波束宽度窄导致水平面方向图的不圆度比较差，在中心频率处的不圆度大约为5dB。随后提出了一种由四个弧形偶极子组成的宽带水平极化全向天线[8]。

本文提出了一种波纹加载TSA天线阵列。该TSA阵列可以实现从2.2至3.7GHz（相对带宽50%）频率范围内VSWR小于2的阻抗带宽，覆盖WLAN和WiMAX频段，并且E面方向图的增益变化小于1.6dB。

1 天线设计

1.1 天线结构

该天线的几何形状（如图1所示）由四个锥销缝隙天线和一分四的功分器组成。天线印刷在厚度为1mm，相对介电常数为2.65，损耗正切角为0.0017的介质基板上，馈电点位于圆盘中心，馈电网络利用四分之一波长阻抗变换器实现阵元阻抗到200Ω的阻抗变换。在馈电点处，4个200Ω的阻抗并联后输出50Ω的阻抗。波纹加载TSA阵列为圆形盘，其直径为90mm，阵列的其他尺寸通过仿真优化得到如下参数：R=45mm，S= 1mm，H=6.8mm，L=16.5mm，D=23.7mm，开口率r =0.07。

1.2 工作原理

为了更好地解释该天线阵列的工作原理，以下通过两部分进行分析：辐射部分和馈电网络。

1.2.1 辐射部分

当TSA单元的长度L大于3λ0（λ0是在真空中最低频率的波长）时，TSA单元可以在端射方向辐射[9]。为了TSA阵列在辐射方向得到很好的全向性，TSA阵元的辐射方向图在E面要尽可能宽。选择尽可能短的长度L，TSA单元E面可得到一个较宽的波束宽度，如图1所示。所以设计的目标是实现E面良好的辐射全向性和宽带阻抗匹配。

1.2.2 馈电网络

为了给四个TSA 阵元馈电，设计了一个一分四的功分器，如图2所示。馈电点位于圆盘中心，可通过SMA接头直接连接到天线阵列。

1.3 结果和分析

用Ansoft HFSS仿真设计波纹加载TSA阵列，VSWR小于2的带宽为50%（2.2GHz-3.7GHz），如图3所示。E面方向图在高频处增益变化较大，在中心频率处，E面方向图增益变化小于1.6dB，如图4所示。

2 结论

本文设计由四个波纹加载TSA单元组成的宽带水平极化全向天线阵列。该天线阵列实现了从2.2至3.7GHz（相对带宽50%）频率范围内VSWR小于2的阻抗带宽。仿真结果表明，在中心频率处E面方向图具有良好的全向性，增益起伏小于1.6dB。因此，该阵列天线非常适用于WiMAX和WLAN系统。

【参考文献】

[1]C.A.Balanis， Antenna Theory： Analysis and Design， 3rd ed. Hoboken， NJ： Wiley-Interscience， 2005[Z].

[2]Alford， Andrew， and A. G. Kandoian， “Ultrahigh-frequency loop antennas，” Electrical Engineering， 1940， 59： 843-848[Z].

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[6]Wei， Kunpeng， et al， “A MNG-TL Loop Antenna Array With Horizontally Polarized Omnidirectional Patterns，” Antennas and Propagation， IEEE Transactions， 2012. 60： 2702-2710[Z].

[7]Brachat， P.， and C. Sabatier， “Wideband omnidirectional microstrip array，” Electronics Letters， 2001， 37： 2-3[Z].

[8]Quan， Xu Lin， et al， “A Broadband Dual-Polarized Omnidirectional Antenna for Base Stations，” Antennas and Propagation， IEEE Transactions， 2013， 61： 943-947[Z].

[9]Schaubert D， Kollberg E， Korzeniowski T， et al， “ Endfire tapered slot antennas on dielectric substrates，”Antennas and Propagation， IEEE Transactions， Vol. 33， 1392-1400， 1985[Z].

[10]Abbosh， A. M， “Miniaturization of planar ultrawideband antenna via corrugation，” Antennas and Wireless Propagation Letters， IEEE， Vol. 7， 685-688， 2008[Z].

[责任编辑：杨玉洁]