一种多频带印刷单极子天线的设计

admin

随着通信容量和信息传输速率的不断提高，人们对通信技术的发展和进步提出了更多、更高的要求。而天线是移动通信系统中不可或缺的关键部件，已成为通信终端中的重要部件。
       
        现今的无线通信设备种类繁多，集成了多种系统模块，并能稳定、高效地工作。因此，如何使终端天线能够在这些网络频带范围内工作，减少天线间的干扰，降低制作成本，实现多系统共用以及收发共用成为主要研究方向。
       
        本文提出了一种可用于WLAN和WiMax无线通信系统的三频带印刷单极子天线。通过在微带板上蚀刻的双“G”形辐射贴片，使得天线覆盖2.4/5.2/5.8 GHz WLAN和3.5/5.5 GHz WiMax频带，并在带内具有较好的全向辐射特性。
       
        1天线的设计与结构
       
        三频带印刷单极子天线的结构如图1所示。天线印刷在相对介电常数为4.4，厚度为1 mm的FR4介质基板上，整体尺寸为37 mm×18 mm.馈电部分是50Ω的微带线，其中微带线宽度为2 mm，并与SMA型同轴连接器相连。天线正面是对称的双“G”形辐射贴片，背面全部为介质。通过调节辐射贴片臂B1、B2、B3的长度，可使得天线工作在2.4/5.2/5.8 GHz WLAN和5.5 GHz WiMax频带。同时，为使得天线获得较好的辐射性能和增益，天线辐射贴片的臂均为完全对称结构。

       
       

        图1 三频带印刷单极子天线的结构

         
        为考察结构尺寸对天线电性能的影响，采用AnsoftHFSS V13对设计的天线进行了仿真，经过加工调试，天线的尺寸如下：L=37 mm，L1=18 mm，L2=15 mm，L3=11 mm，L4=14 mm，L5=16 mm，L6=15 mm，W=18 mm，W1=2 mm，W2=3 mm，W3=2 mm，W4=3 mm，H=1 mm.
       
        2结果分析
       
        图2～图4分别给出了参数L2、L3和L5取不同值时，天线回波损耗的仿真结果，可以看出分别调节双“G”形辐射贴片的臂长即更改参数L2、L3和L5的取值可以改变天线相对应谐振频带的位置，且基本不会影响其他频段的工作带宽。因此，通过调节辐射贴片的臂长，可以使得天线覆盖2.4/5.2/5.8 GHz WLAN和3.5/5.5 GHz WiMax频带。

       
       
        图2 参数L2对天线回波损耗的影响

       
       
        图3 参数L3对天线回波损耗的影响

       
       
        图4 参数L5对天线回波损耗的影响

         
        为验证辐射贴片对天线性能的影响，图5给出了包含不同辐射贴片臂时，天线回波损耗的仿真结果。可以看出，引入3个辐射贴片臂后，天线可以获得3个工作频带，并且不同臂彼此之间影响比较小。

       
       
        图5 天线回波损耗的仿真结果

         
        利用矢量网络分析仪Agilent—E5071 B对加工后的天线模型进行了测试。天线回波损耗的实测和仿真结果对比如图6所示。天线回波损耗的实测与仿真结果基本吻合，之间的差异主要是在高频段，应该是由于加工误差和测量环境等引起的。测试结果表明，天线模型回波损耗<-10 dB的工作频带为2.3～2.50 GHz、3.17～4.11 CHz和4.82～7.14 GHz，满足2.4/5.2/5.8 GHz WLAN和3.5/5.5 GHz WiMax对工作带宽的基本要求。
         

       
        图7 2.45 GHz、3.5GHz和5.5 GHz频点处的实测远场方向图

           
          图7分别给出了2.45 GHz、3.5GHz和5.5 GHz频点处的实测远场方向图。在y-z平面内(E面)，天线辐射方向图具有类似单极子天线的方向图;在x-y面(H面)内，天线辐射方向图接近全向。
         

       
        图8 天线在工作频带内的实测增益曲线
         

          图8给出了天线在工作频带内的实测增益曲线。如图所示，天线在2.45 GHz、3.5 GHz、5.5 GHz的峰值增益分别是2.12 dB、2.44 dB和3.44 dB，带内增益满足WLAN和WiMax通信的要求。
       
        3 结束语
       
        本文提出了一种小型化的用于WLAN/WiMax通信系统的多频带印刷单极子天线。利用双“G”形的辐射贴片，使得天线形成3个谐振频带，即2.4 GHz、3.5 GHz和5 GHz。实测结果表明天线满足2.4/5.2/5.8 CHzWLAN和3.5/5.5 GHz WiMax频带的阻抗带宽，并具有良好的全向辐射特性，该天线可以应用在无线多频带通信系统中。