应用于WLAN/Wi-Fi/WiMAX系统的小型化双频带平面天线研究

李娜，王海华

(山东理工大学 电气与电子工程学院，山东 淄博 255049)

随着无线通信技术的快速发展，无线通讯设备需要工作在多个频带，这就要求无线电子设备的关键部件之一天线能同时覆盖多个频带，多频带天线可以有效地减少系统内天线的数目，从而降低无线通信系统的体积和复杂度，进而能够满足更多的应用需求[1-6]。平面单极子天线因具有体积小、重量轻、容易加工及造价低廉等优点，且易于实现多频和宽带，能够满足现代通讯系统对天线的要求，在现代无线通信系统中得到了广泛应用[7-11]。为顺应现代无线通信系统小型化和集成化的发展趋势，近二十多年来，研究人员对小型化多频带平面天线研究的方法主要包括：(1)加载谐振单元实现多带[12]，即通过不同的谐振单元产生不同的谐振频率，从而达到多频带的效果；(2)采用可重构天线实现多带[13]，即在天线上引入射频开关，通过控制开关的通断来改变天线的表面电流路径，进而实现多带；(3)利用天线的高次模式实现多带[14]，即通过利用天线的高次模式和基模实现多带；(4)利用不同的天线形式实现多带[15]，即通过利用不同的天线形式，比如单极子天线和缝隙天线，不同的天线工作于不同的工作频带，进而实现多带。本文在开口环形单极子天线的基础上，通过加载借助金属过孔与地面相连接的U形枝节实现天线的双频带，通过加载倒T形枝节以及在地面上刻槽实现天线的小型化，以有效地展宽天线的阻抗带宽。

为节省天线的设计成本并精确模拟天线的电磁辐射性能，本文借助电磁仿真软件CST 微波工作室(CST Microwave Studio)[16]对天线进行仿真。CST Microwave Studio集合了包括时域有限积分、频域有限元法和矩量法等多种电磁算法，可对各类天线单元和阵列的特性参数进行仿真分析，包括S参数、表面电流分布和远场辐射特性等在内的多项天线指标参数。CST Microwave Studio仿真优化及分析方法灵活，仿真结果准确，与实测结果吻合度较高，被广泛应用在天线的设计及分析工作中。

1 天线结构设计

本文所设计的天线由微带馈线、介质基板和辐射单元组成。介质基板采用介电常数为2.65，损耗正切为0.02的聚四氟乙烯，厚度为1.6 mm，介质基板上表面印制有T形微带线、开口环形金属枝节、T形枝节以及通过金属过孔与地面相连接的U形金属枝节，介质基板的下表面印制有在中心及两端分别刻蚀矩形槽的金属地面。

天线作为一种能量转换装置，其馈电端口与传输线相连，它可以将传输线传输过来的导行波转换成自由空间中的无线电波。如果将传输线看作馈源，天线就可以看作传输线的负载。天线的输入阻抗和馈线的特性阻抗并不能做到完全匹配，工程上一般用馈线上的反射系数来衡量天线与馈线的匹配程度，反射系数的定义为[17]

式中：Zin为天线的输入阻抗；Z0为传输线的特性阻抗。一般天线在工作频段内的电压驻波比能够满足实际的需求。

S11实际上是特指一个一端口网络的反射系数Г，其数值大小反映了天线阻抗匹配的程度，工程上一般约定S11<-10 dB的频率范围定义为天线的阻抗带宽。因此，为了反应天线的阻抗匹配程度，本文采用电磁仿真软件CST对S11<-10 dB的阻抗带宽进行仿真分析。

天线设计过程如图1所示，其对应的S11仿真曲线如图2所示。由图2可知，天线1只在7.19 GHz处产生了一个谐振点；天线2在天线1的基础上加载了与地面通过金属过孔相连接的U形枝节，相较于天线1，天线2在3.34 GHz处增加了一个新的谐振点，且原先的谐振点向低频移动，天线2实现了双频段工作；天线3在天线2的基础上加载了T形枝节，并且在金属地面的中心刻蚀矩形槽，实现了天线小型化以及宽带化设计，天线3的低频段阻抗带宽展宽，且两个频段的谐振点向低频移动，进而实现了天线的小型化；天线4在天线3的基础上，在金属地面的两端分别刻蚀两个相同的矩形槽，从而达到展宽高频阻抗带宽的作用，相比天线3，天线4的高频段阻抗带宽得到展宽，进而满足了天线的宽带化和小型化。

(a)天线1 (b)天线2

图2 仿真的反射系数随频率的变化曲线

2 天线仿真分析

天线的结构尺寸对天线性能有着重要的影响，为了实现天线的最佳性能，本文利用电磁仿真软件对天线的参数进行优化，当研究其中一个参数对天线性能影响时，其他参数取值固定，本文仅对两个影响天线性能的重要参数L7、L6进行仿真优化分析。图3给出了S11随参数L7的变化曲线，从图3可以看出，随着参数L7从3 mm变化到5 mm，高频段的阻抗带宽逐渐变小，谐振深度先变大再变小，但是随着参数L7的增大，使得低频段中的较高的谐振点先往低频移动再往高频移动，但是L7的变化对低频段的阻抗带宽影响较小。因此，最终选择L7=4 mm。再看参数L6，其S11曲线如图4所示，以1 mm为单位进行变化，在L6由7 mm变化到9 mm的过程中，低频段的阻抗带宽逐渐变窄，但谐振深度逐渐增大，高频段正好相反，L6由7 mm到9 mm过程中，阻抗带宽逐渐展宽，谐振深度相应地有所减小。综合考虑，选择L6=8 mm。

图4 反射系数随参数L6的变化曲线

借助电磁仿真软件对天线的所有参数进行优化设计，得到天线的最优结构尺寸如图5所示，天线结构的最优参数值见表1。

(a)天线正面

表1 天线结构的最优参数值

天线S11曲线最终优化结果如图6所示。由图6可以看出，天线最终仿真结果满足S11<-10 dB的工作频带为2.10～3.28 GHz和5.18 ～6.42 GHz,且天线尺寸仅有25 mm×22 mm×1.6 mm,改善了以往单极子天线带宽较窄的问题，同时实现了天线的小型化；能够分别覆盖WLAN的2.4 GHz(2.4～2.484 GHz)和5.8 GHz(5.725～5.825 GHz)、WiMAX的2.5 GHz(2.5～2.69 GHz)和5.5 GHz(5.25～5.85 GHz)以及Wi-Fi的2.4 GHz(2.4～2.485 GHz)和5.5 GHz(5.15～5.85 GHz)的通信频段。

图6 天线最终仿真结果

为了清晰地描述天线的方向性，需要将天线的辐射场强与空间坐标用一个函数联系起来，这个函数被称为方向性函数。如果将天线放置于坐标原点，那么天线在远区球面上的任意方向(θ,φ)的辐射场为

E=A(r)f(θ,φ),

式中:A(r)为距离坐标原点r处的幅度因子;f(θ,φ)为方向因子，也称之为方向性函数。基于方向性函数绘制的天线辐射特性和方向之间的关系图形被称为天线的方向图。通常所说天线的方向图是一个三维立体图形，对于线极化天线通常采用两个主平面E面和H面来描述天线的方向性。其中，E面和H面分别是指包含了最大辐射方向与电场矢量和磁场矢量的平面。

借助电磁仿真软件对天线的远场辐射方向图进行仿真，在2.8 GHz和5.8 GHz时，天线在ZOY面和XOY面上的远场辐射方向图如图7所示。由图7可以看出，在2.8 GHz时，天线在ZOY面和XOY面两个主平面上方向图呈现出近全向特性，在5.8 GHz时，天线在XOY面的方向图也接近全向，在ZOY面天线的辐射方向图为双向辐射。

图7 天线在不同频点的远场辐射方向图

3 结束语

文章设计了一款小型化双频带平面单极子天线，该天线具有以下优势：

1)在简单的开口环形单极子天线的基础上，通过金属过孔加载与地面相连接的U形金属枝节，进而实现了天线的双频带特性。

2)通过加载倒T枝节以及在地面上刻槽实现了天线的小型化，同时实现了天线的宽频带特性。

3)该天线结构简单、制作成本低，覆盖了WLAN/Wi-Fi/WiMAX等通信频带。

基于以上优势，该天线能够很好地满足现代无线通信系统对小型化多频带平面天线的需求，具有较大的实际工程应用潜力。