新型双频全向Alford环微带天线

许唐红，詹珍贤，胡帅帅

(中国电子科技集团公司第三十八研究所，安徽 合肥 230088)

0 引言

随着用户对各种无线通信系统体验需求的进一步提高，高质量的通信变得至关重要。利用MIMO极化分集提高通信的传输质量是一种可靠的途径[1-2]，极化分集可降低天线的空间和开销[3]。由于电磁辐射波在复杂传播路径中经过反射或者散射，极化方式发生改变，极化分集可以部分补偿手持终端的随机极化对通信性能的影响。

无线通信的快速发展促进了多种类、多频段WLAN天线[4-5]的研究，例如缝隙天线[6]、偶极子天线[7]、贴片天线[8]和单极子天线[9-10]等。文献[11]中设计了一种垂直极化双频单极子WLAN天线，在H面实现了全向辐射。在MIMO系统极化分集的需求中，除了H面全向天线外，E面全向辐射天线也同样重要，但目前很多研究都是针对H面全向辐射天线。因此，本文提出并设计了一款E面全向辐射天线，该天线同样具备双频工作特性。

Alford环天线[12]于1940年由Alford首次提出，该天线能产生单频E面全向的方向图，随后有改进型[13]、2个偶极子[14]、4个偶极子[15-16]所构成的单频Alford环天线相继出现，不圆度减小，全向性更好。本文在4个偶极子Alford环单频天线的基础之上，创新性地增加了内部耦合环结构，从而实现天线双频E面全向辐射的设计要求。与U型槽加载的贴片天线[17]相比，该天线在结构和馈电的设计上均得到简化。

1 环天线辐射原理

Alford天线的本质是环形天线，环形天线有许多不同的形式，如矩形、方形、三角形、菱形、椭圆形和圆形等。采用环形天线实现E面全向天线是一个很好的选择。E面全向天线的全向性能，可以通过环上电流幅度均匀度来调节，幅度越均匀，天线的全向性能越好，不圆度越小。

传统环形天线有电小环和电大环。当圆环的半径r很小、周长C=2πr小于等于1/5个波长时，则称为小环天线。电小环电流幅度均匀，但是它辐射电阻较小，电抗较大，难以与馈电系统匹配。当环的周长C可与波长相比拟时，则称为大环天线。电大环天线的辐射电阻和电抗容易匹配馈电系统，但它的电流路径长，分布不均匀，方向图的不圆度增大。为了解决上面二者的矛盾，Alford提出了Aflord环天线，它能很好地实现水平极化全向辐射，且易于匹配。

与Alford环微带天线[18-19]的基本原理类似，常见结构及电流分布如图1所示。“Z”型微带分别刻印在介质基板的两面。两平行边称为“翼”，斜边称为“臂”，在上下臂的中间采用通孔，用SMA同轴连接器对天线底部馈电。由于介质基板两层的“臂”重叠，故电流分布等幅反相，辐射相互抵消不会形成远场辐射方向图。上下两层的“翼”，构成一个方形环。环的周长为一个介质波长，一个“翼”约为1/4个介质波长。Alford环天线方向图的全向性与环形上电流分布的均匀度有关。介质基板介电常数、介质基板厚度、“翼”和“臂”的长度和宽度对天线的工作频率和方向图特性起关键作用。

图1 单频Alford环天线电流分布

2 天线设计

2.1 天线结构

本文设计的双频天线使用F4B-2介质基板，相对介电常数为2.65，损耗角正切为0.000 9，基板厚度为1.5 mm。该天线外形结构如图2所示，整个天线的大小为50 mm×50 mm。天线通过50 Ω SMA同轴连接器实现底部馈电，连接上下微带线。外环辐射结构周长约为2λ1，由4个半波偶极子构成，其中波长λ1是2.45 GHz对应的介质波长。天线的优化参数为：外环半径R1，外环辐射结构、内环辐射结构以及匹配节的宽度同为W2，内环相邻谐振臂的间距为G，内环半径R2，匹配节长度L2。

图2 双频Alford天线透视和侧面外形

经过理论计算和迭代优化后的各参数详细数值如表1所示。

表1 天线物理尺寸 mm

2.2 参数分析

该天线关键技术在于双频全向结构的简化设计与实现。通过新增内耦合环作为高频辐射结构，附加微带枝节用于阻抗匹配调节，从而实现双频特性，外环和内环谐振点分别为2.45 GHz，5.225 GHz。

天线仿真优化采用时域有限差分仿真软件(CST)。为了获得较好的回波损耗，天线采用3阶阻抗匹配网络进行设计：第1阶是外环天线馈电端口与内环天线间的匹配，通过W2进行调节；第2阶是内环天线的匹配，通过附加微带枝节长度L2进行调节；第3阶是内环至天线底馈端口的匹配，主要通过W1进行调节以适配50 Ω的SMA同轴连接器。

在迭代优化过程中，主要通过调节L1，W1，L2，R2来获得良好的S11。优化结果显示，微带线的宽度W1主要影响高频S11的幅度，对谐振频率影响不大。高频谐振点主要通过L1，L2，R2进行调节，其中L1增大将提高高频谐振频率；L2，R2增大将降低高频谐振频率。内环相邻谐振臂的间距设置为2.5 mm，±10%的间距变化对天线性能影响不大，降低了对天线加工精度的需求。

天线包含4个平行带线，呈轴对称分布的平行带线表面电流幅度相同，但相位相反，避免了带线产生的能量辐射。内外环表面电流分布如图3所示，当天线工作在2.45 GHz时，表面电流主要分布在天线的外环辐射结构上，工作在5.225 GHz时表面电流主要分布在天线的内环辐射结构上。

图3 内外环表面电流分布

天线在2.45 GHz和5.225 GHz的H面和E面仿真方向图如图4所示，可以看出，该天线具备良好的E面双频全向辐射特性。

图4 仿真方向图

3 结果与分析

对优化后的天线进行加工和测试，使用安捷伦矢量网络分析仪N5230A对天线的S11进行测试，天线S11实测仿真对比图和天线实物如图5所示。实测结果表明，天线S11在2.38～2.54 GHz和5.00～5.50 GHz频段均优于10 dB。实测和仿真结果基本吻合。

在微波暗室对加工后的天线进行了主极化和交叉极化的方向图测试。2.45 GHz和5.225 GHz的天线实测方向图如图6所示。

图6 实测H面和E面测试方向图

从图6中可以看出，该天线的方向图和单极子天线的方向图基本相同，但该天线极化具有水平极化特性，与单极子天线E面和H面互换。天线E面(X-Y面)全向辐射，E面交叉极化大于10 dB。在2.45 GHz和5.225 GHz测试增益分别为1.05 dBi和0.83 dBi。

4 结束语

本文提出了一种新型双频E面全向Alford环微带天线结构，工作频段涵盖802.11a/b，可良好匹配极化分集技术，并应用于无线局域网多输入多输出(MIMO)系统中。同时，该双频天线结构简洁，通过快速调整内外环尺寸等参数，方便转化为其他频段的天线应用，为双频全向天线提供一个新的设计思路。