應用于WLAN／WiMAX的三頻單極子天線設計

摘要 設計了一種三頻段L型單極子平面天線，通過3個L型單極子天線的組合，使其中一個單極子天線工作于3．5 GHz頻段，較長一個單極子工作于2．4 GHz頻段，較短一個單極子工作于5．8 GHz頻段，該天線與其他三頻段平面天線相比，結構更為簡單。為數(shù)值分析和優(yōu)化，在HFSS建立了該天線的電磁仿真模型，仿真結果表明，該三頻段天線在其3個工作頻段內(nèi)的回波損耗都-10 dB，實現(xiàn)了2．4 GHz，3．5 GHz和5．8 GHz三頻段同時工作。該天線可在WLAN和WiMAX通信系統(tǒng)中得到良好的應用。
關鍵詞 三頻段天線；平面單極子；WLAN／WiMAX

隨著現(xiàn)代無線通信技術的迅速發(fā)展，無線局域網(wǎng)(Wireless Local Area Networks，WLAN)得到廣泛應用。WLAN是利用無線通信技術在空中傳輸數(shù)據(jù)、話音和視頻信號，使用戶可以隨時隨地地交換信息。全球微波互聯(lián)接入(Worldwide Interoperability for MicrowaveAccess，WiMAX)是一項新興的寬帶無線接入技術，能提供面向互聯(lián)網(wǎng)的高速連接，數(shù)據(jù)傳輸距離最遠可達50 km。目前的WLAN主要工作在2．45 GHz(2．4～2．484 GHz)、5．2 GHz(5．15～5．35 GHz)和5．8 GHz(5．725～5．825 GHz)，而WiMAX工作在2．5 GHz(2．5～2．69 GHz)、3．5 GHz(3．4～3．69 GHz)和5．5 GHz(5．25～5．85 GHz)。
在無線通信領域中，對微帶天線的一些如多頻段、低成本、小型化和易于加工的實際需要引起了人們的廣泛關注。常見的小型化多頻天線結構是基于倒F天線的—些變形，這些設計利用倒F天線的小型化和低剖面優(yōu)勢，通過開槽、增加支節(jié)等方法實現(xiàn)多頻諧振。然而為實現(xiàn)多頻工作，引入的結構往往比較復雜?；诖?，文中設計了一種可同時工作于WLAN(2．4 GHz與5．8 GHz)和WiMAX(3．5 GHz)3個頻段的微帶天線。該天線通過3個L型微帶結構1／4波長單極子的組合，實現(xiàn)了三頻帶的工作。天線幾何結構簡單，介質(zhì)板采用1．52 mm的Rogers R04003，便于和微波集成電路實現(xiàn)集成化設計。

1 天線的結構設計
(1)微帶貼片天線多頻段方法。從實現(xiàn)雙頻或多頻段工作的貼片結構以及基板等物理結構上來分類，實現(xiàn)雙頻或者多頻的基本方式主要有以下幾種：1)采用單一貼片，利用幾種不同的自然模式來實現(xiàn)雙頻或者多頻工作。2)采用單一貼片，通過加載或者開槽的方法改變貼片各種自然模式的場分布，從而使諧振頻率受到干擾，最終實現(xiàn)雙頻或者多頻工作。3)采用單層基板、多個貼片的結構。如采用諧振頻率不同的貼片形成多諧振的特性；也可以采用多個輻射單元構成多頻點諧振的微帶天線等。4)采用多層重疊貼片結構。如利用多層貼片結構形成多個諧振器，從而產(chǎn)生多頻段工作特性；采用多層貼片重疊，各自饋電的圓形貼片結構得到具有雙頻段工作特性的微帶天線等。針對上面的微帶貼片天線多頻段的理論方法，文中采用單層基板、多個貼片的結構使天線多頻段工作。
(2)微帶結構1／4波長單極子天線。1／4波長單極子天線是將偶極子天線利用鏡像法，引入接地面后得到的，與偶極子天線相比，1／4波長單極子天線因為引入了接地面，電磁波只在接地面上方有輻射功率，從而使輻射功率只有半波偶極子的1／2。然而1／4波長偶極子天線方向性系數(shù)與半波偶極子天線均為2．15 dB?？梢岳萌鐖D1(a)所示的微帶線結構實現(xiàn)1／4波長單極子天線，為進一步縮小天線的幾何尺寸，還可以將天線折成如圖1(b)所示的L形結構。當天線工作于中心頻率為2．4 GHz、3．5 GHz和5．8 GHz頻段時，這3個中心頻率的電磁波在自由空間中對應的1／4波長分別約為31mm、21mm和13 mm；若電磁波在全部填充相對介電常數(shù)為3．38的Rogers R04003介質(zhì)中傳播，對應的1／4波長分別約為15 mm、10 mm和3 mm。對于2．4GHz的中心頻率，若采用自由空間波長，則1／4波長單極子天線的長度為31mm；若采用介質(zhì)中的波長，則1／4波長單極子天線的長度為15mm。對于PCB板上的微帶單極子天線，波的傳播既經(jīng)過介質(zhì)又經(jīng)過自由空間，因此實際波長應該介于
介質(zhì)的導波波長和自由空間的工作波長，從而得到2．4 GHz工作頻段的1／4波長單極子天線的長度應該介于15～31 mm。同理，可得到3．5 Gz工作頻率的1／4波長單極子天線的長度介于10～21mm，5．8 GHz工作頻率盼1／4波長單極子天線的長度介于3～13 mm。通過調(diào)整微帶饋線的位置實現(xiàn)其與天線的阻抗匹配。

(3)三頻單極子天線結構設計。按照微帶結構1／4波長單極子天線的設計方法，設計了如圖2所示結構的三頻單極子天線。天線的結構大致分為6個部分：介質(zhì)層、L型高頻(5．8 GHz)單極子天線、L型中頻(3．5 GHz)單極子天線、L型低頻(2．4 GHz)單極子天線、微帶饋線和參考地。介質(zhì)層的材料使用Rogers R04003，相對介電常數(shù)為3．38，介質(zhì)層的上表面是微帶饋線和L型單極子天線，結構如圖2所示。通過調(diào)
節(jié)介質(zhì)層上表面3個L型結構單極子天線的長度，可以得到所要求的天線諧振頻率。其中左側的L型結構是中頻單極子天線，工作于3．5 GHz頻段；中間的L型單極子天線是高頻單極子天線，工作于5．8 GHz頻段；右邊的L型單極子天線是低頻單極子天線，工作于2.4 GHz頻段。介質(zhì)層下表面是L型單極子天線的參考地，結構如圖2(b)所示。根據(jù)偶極子天線和單極子天線的原理和高頻結構仿真軟件HFSS對所設計的天線進行仿真優(yōu)化，優(yōu)化后的天線尺寸如表1所示。