新型CPW馈电倒S型双频天线

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                1 引言

                        在无线局域网通信系统中，基于节约成本的考虑，为能在同一天线上实现2.402GHz—2.482GHz（IEEE802.11b/g）和5.15GHz—5.87GHz（IEEE802.11a）频段覆盖，双频或多频天线应运而生。CPW结构具有工作频带宽、单一金属层、易于与有源设备或MMIC集成等优点，CPW馈电的天线已被很多人设计应用于无线局域网通信。双频单极子，但它们共同的缺点是阻抗带宽比较窄。文天线需要一短路探针连接地面和印刷单极子，这样增加了设计的复杂性以及制作成本。一种CPW馈电的平面倒F天线（PIFA），但结构较复杂且尺寸还是较大。
                         
                        本文给出了一种新型的应用于无线局域网的倒S型CPW馈电双频天线，天线的整体结构尺寸为20×16.5×1.6mm3。在Bluetooth/WLAN频段内达到频带工作要求，且辐射方向图符合全向性。
                         
                        2天线设计

                        图1为双频印刷单极子天线的结构图。介质基板为FR4，厚度为1.6mm，介电常数为4.4。天线的辐射单元类似于倒S型，采用CPW馈电方式。天线的结构尺寸采用基于有限元的全波仿真软件HFSS优化得到。倒S型天线采用CPW馈电，CPW结构的中心馈线尺寸Wf为2mm，槽宽g为0.2mm，刚好为标准的50W共面波导。在CPW中间信号线两侧两个有限的地面的尺寸Lg×Wg都为8×7mm2。天线的主辐射单元是一个类似于倒S的结构，整个倒S由6条带线组成，他们的尺寸如下表所示：
       

N	1	2	3	4	5	6
L（mm）	8	6.5	8.5	2.5	5.5	6.5
W（mm）	1	2	2	2.5	1.5	1

                         
                         
                        倒S离地面的距离，即l5与地面的距离S，会影响到5GHz的频段宽度及辐射方向图，通过HFSS优化得到S为1mm。
                         
                        倒S型天线单元有两个不同的谐振路径，分别为L1等于I1+ I2+ I3+ I4和L2等于I5+ I6。这两个不同的路径长度L1,L2分别接近2.4GHz和5.2GHz的五分之一波长。通过调节L1的长度使天线谐振于2.4GHz工作频段，同样的通过调节L2的长度使天线谐振于5.2GHz工作频段。另外，通过全局优化天线的结构尺寸（l1,l2,l3,l4,l5,l6，S）可以改善2.4GHz和5.2GHz的频带宽度。通过调节l4的长度，可以有效的展宽2.4GHz频段的宽度。通过调节S的大小，可以有效的展宽5.2GHz频段的宽度。
                         
       

               

       

                （a）

       

               

       

                (b)

       

                (a) 俯视图 （b）前视图

       

                图1  天线的几何结构图

                         
                        3实验结果及讨论

                        图2为制作的天线实物。使用Agilent E5071B网络分析仪天线的回波损耗进行了测量，结果如图3所示。图中同时给出了仿真计算曲线，可见，两者在工作频段内吻合的较好。测量得到的在2.4GHz和5GHz的-10dB测量阻抗带宽分别为22.08%(2.2GHz－2.73GHz，中心频率为2.41GHz)和22.7%(4.65GHz－5.93GHz，中心频率为5.65GHz)。满足双频WLAN应用所需的频段要求。
                         
       

               

       

                图2  实物图

       

               

       

                图3  天线的测量与仿真回波损耗

                 
                        在2.4GHz、5.2GHz和5.8GHz三个频点上测量得到的辐射方向图分别如图4、图5和图6所示。可以清楚的看出，在三个频点上的辐射方向图都类似全向性。在yoz面，在2.4GHz、5.2GHz和5.8GHz 的辐射方向图更接近于全向性。图7为天线的测量增益，图7（a）为2.4GHz频段的增益频响曲线，增益的最大值为1.65dBi;图7（b）为5GHz频段的增益频响曲线，增益的最大值为6.1dBi.
                         
       

               

       

                (a) xoy 面

       

               

       

                (b)  xoz面

       

               

       

                (c) yoz面

       

                图4  天线2.4GHz辐射方向图

       

                 

       

                （—co-pol,----cross-pol）

       

               

       

                (a) xoy面

       

               

       

                (b) xoz面

       

               

       

                (c) yoz面

       

                图5  天线5.2GHz辐射方向图

       

                 

       

                （—co-pol,----cross-pol）

       

               

       

                (a)xoy面

       

               

       

                 (b) xoz面

       

               

       

                 (c) yoz

       

                图6  天线5.8GHz辐射方向图

       

                （—co-pol,----cross-pol）

       

                 

       

               

       

                (a)

       

               

       

                (b)

       

                图7  天线的测量增益频响曲线
                (a)2.4GHz  (b)5GHz

                         
                        4结论

                        本文设计并实测了一种应用于无线局域网的新型小型化CPW馈电倒S型双频天线。该天线具有结构尺寸小、低成本、低剖面等特点。另外，由实测结果表明，该天线工作带宽很宽，覆盖了Bluetooth/WLAN工作频段，且辐射方向图满足全向性要求。由于仿真与实测结果一致，所设计的天线可以实际应用于无线局域网通信系统。