应用于WLAN/WiMAX/5G的CPW馈电三频天线设计

李晓笛 杜成珠

(上海电力大学电子与信息工程学院 上海 200090)

0 引 言

无线通信系统近年来发展迅速，平面印刷天线由于体积小、重量轻、加工简单、易于集成等特点，在学术界和工业界引起了广泛关注[1]。近年来平面天线的研究主要集中在两个热点：超宽带和多频天线[2]。而用于WLAN和WiMAX无线系统的多频天线是这些研究热点的重要应用。此外，工信部于2018年底公布的中国5G频谱资源分配计划(要求天线工作在3.4～3.5、3.5～3.6、4.8～4.9 GHz)对多频天线的工作频带提出了更高的要求。平面天线由于馈电简单、制造成本低和易于集成等优点而被广泛应用于多频天线设计[3～12]。文献[3]中天线通过结合L形枝节、缺陷馈线和缺陷接地平面实现了三频工作。文献[4]中的天线由矩形环和“叉”形馈线实现三频。文献[5]中的天线由一个小的内部矩形环、一个带有三个缝隙和一个寄生带的外部矩形环组成，用于WLAN和WiMAX应用。文献[6]中的三频天线由带有CSRR缝隙和常规接地平面的圆形贴片组成。文献[7]中天线通过两个环形条带的互相嵌套和两个连接在共面波导接地板的矩形条带实现了三频工作。文献[8]使用圆环、Y形带和有缺陷的接地平面来设计三频天线。文献[9]提出了一种紧凑的单馈三频共形圆极化双环形缝隙天线，其由两个同心的环形槽组成。文献[10]中的天线主要由矩形贴片组成，通过贴片左右两侧有对称的F形槽实现了多频。文献[11]中的天线通过引入矩形槽环、倒L形和C形槽以实现三频特性。文献[12]提出了一种不对称天线，其一侧由C形和U形单极组成，另一侧与F形带耦合。尽管上述天线都通过各种结构和方法实现了多频带工作，但天线贴片几何结构较为复杂，天线整体尺寸较大。

本文介绍了一种应用于WLAN、WiMAX和5G的紧凑型三频天线。天线印刷在厚度为1.6 mm的FR- 4介质基板上，整体尺寸为20 mm×30 mm×1.6 mm。它由共面波导(CPW)馈电，以实现良好的阻抗匹配和更大的工作带宽。天线结构简单紧凑，通过在主辐射贴片和共面波导地面上额外增加的条带实现了三频工作。测量结果表明，本文提出的三频天线满足WLAN(2.4 GHz、5.2 GHz、5.8 GHz)、WiMAX(3.5 GHz、5.5 GHz)和5G通信系统的频段要求。

1 天线结构设计

本文所提出的三频天线结构如图1所示。天线整体尺寸(W1×L1)为20 mm×30 mm。天线印刷在1.6 mm厚的FR- 4基板上，相对介电常数为4.4，损耗角正切为0.02。该天线由CPW馈电，其传输线宽度Wf为3 mm，传输线两侧的间隙g为0.2 mm。天线的三频带工作是通过集成在矩形贴片和CPW接地贴片的两个条带实现的。通过ANSYS HFSS对天线进行模拟和优化，天线尺寸参数如表1所示。图2为天线的实物照片。

图1 天线结构示意图

表1 天线的几何尺寸

图2 天线实物照片

矩形贴片的长度和宽度由矩形贴片天线方程[13]确定。每个条带的长度按照所需谐振频率下波长的四分之一左右设计，具体计算公式为：

(1)

(2)

式中：Lr表示条带的长度；f表示谐振频率；C为光速；εeff为有效介电常数；εr表示介质基板的相对介电常数。

天线设计过程如图3所示，其对应的回波损耗S11曲线如图4所示。以矩形贴片天线作为基础开始，天线通过在矩形贴片左侧和共面波导右侧接地板连接不同长度的条带，分别在3.50和2.45 GHz附近激发了两个谐振模式。最终天线在满足WLAN、WiMAX和5G系统的基础上实现了三频带工作。

图3 天线设计过程

图4 不同设计阶段的S11对比

2 仿真及测试结果

2.1 尺寸参数

为了研究天线谐振与天线参数之间的关系。图5展示了天线在2.4、3.5和5.5 GHz频率下的模拟电流分布。

图5 电流分布

可以看出，天线馈线的电流在三个频率下都很大，表明天线处于工作状态并且有良好的阻抗匹配。从图5(a)和图5(b)中可以分别观察到电流主要分布在天线右侧和左侧条带。这表明条带的长度直接影响天线的谐振频率。图5(c)中，电流主要分布在矩形贴片顶部和右侧。根据上述三个频率的电流分布，选择对矩形贴片的长度W3及两个条带的长度L2、L6进行参数分析，具体分析结果如图6-图8所示。

图6 不同尺寸的W3的S11对比图

图7 不同尺寸的L2的S11对比图

图8 不同尺寸的L6的S11对比图

如图6所示，矩形贴片的长度W3对天线的高频部分有很大影响。W3增加，高频带宽向左移动并变宽，而中频和低频部分没有明显变化。说明5.5 GHz附近的谐振模式主要通过调节矩形贴片的长度实现。

图7中，增加左侧条带的长度L2对天线中频带产生很大影响，而天线高频部分受到轻微影响。两个频带都向低频方向展宽，而天线的低频部分几乎不受影响。图8中，当天线右侧条带长度L6发生变化时，低频带向左移动，其他两个频带受到的影响很小。上述结果与天线表面电流分布的结果一致，天线可以通过调节W3、L2和L6进行优化。

2.2 天线测试结果

基于上述结论，对最终优化的天线进行实物制作并测量。模拟和测量的S11对比见图9。可以看出，实测高频部分的阻抗匹配优于模拟结果，实测的低频带宽变宽。天线的三个工作频带的带宽分别为340 MHz(2.22～2.56 GHz),380 MHz(3.32～3.70 GHz)和2 700 MHz(4.69～7.39 GHz)，满足WLAN、WiMAX和5G系统的工作要求。

图9 天线仿真与实测S11对比

图10展示了天线在2.4、3.5和5.5 GHz下的模拟和实测方向图对比。由图可知，天线在H面(XY平面)实现了全向辐射，并在E面(YZ平面)实现了双向辐射。天线在工作频带下的模拟和实测增益对比如图11所示，天线在2.4、3.5和5.5 GHz获得的增益分别为0.63、2.87和3 dB。

图10 天线辐射方向图仿真与实测结果对比

图11 天线仿真和实测增益对比图

3 天线性能对比

表2对文献中的多频天线和本文提出的天线进行对比。尽管文献中的天线都表现出了不同的多频性能，但本文提出的天线有最小的尺寸和更简单的几何形状。

表2 天线对比

4 结 语

本文设计了一种应用于WLAN、WiMAX和5G系统的紧凑型CPW馈电三频天线，其尺寸为20 mm×30 mm×1.6 mm，通过在主辐射贴片和共面波导地面上增加额外的辐射条带，天线可产生三种谐振模式。结果表明，该天线具有良好的辐射特性和合理的增益，同时具有体积小、结构简单、易于加工的优点，并且满足WLAN(2.4 GHz、5.2 GHz、5.8 GHz)、WiMAX(3.5 GHz,5.5 GHz)和5G通信系统的频段要求。

图4 传输时间对比

可以看出，传输时间与文件大小基本成正比，传输速率达到400 KB/s以上，充分地利用了3G网络的带宽。特别是待传输的原始文件体积较大时，借助压缩和多线程技术使得文件的传输时间得到了明显的提高。

该方案通过应答机制、断点续传、CRC校验等技术解决了之前传输速率不高和存在传输失败的问题，既解决了模块采用UDP通信方式下的不可靠问题，又解决了模块采用TCP通信方式下效率不高的问题。

4 结 语

本文在无线通信方式下，设计了一种上位机和下位机间进行可靠文件传输的方法。该设计可以应用于各行业的前端设备和后端服务器间的文件传输服务中。本文在设计的过程中参考了TCP通信的一些特点，通过文件分包、断点续传、顺序重排和内容压缩保证了文件可靠、有效的传输，实现了在UDP和TCP方式下都适用的文件传输机制。