WLAN和WiMAX的双频组合 天线的宽频带小型化设计

1 引言

随着无线通信技术的迅速发展，低成本、小型化、易制作的多频天线已经成为了现代无线通信系统中的重要的组成部分，并引起了人们的广泛关注。中提出的四种双频组合天线的带宽较窄，且尺寸较大；文献[5-6]研究了多频缝隙天线的设计，通过缝隙极子天线和微带线的不同组合来实现多频特性，但这类天线的尺寸同样比较大，且高频方向图的全向性不好；微带天线通过缝隙加载技术也能实现多频天线的设计[7-8]，但需要短路针与地板相连接，使得天线结构复杂，加工困难。

中提出了一种终端开路的矩形环极子双频天线，但该天线的高频带宽太窄，不能覆盖WLAN 5.8GHz工作频段，而且高频段的方向图有所失真；为了增加天线的带宽，文献[10]提出了一终端加载的矩形环极子双频天线，通过在环终端加载一微带线实现高频段宽频化设计，但该天线不能工作WiMAX3.5GHz 频段。

为了进一步增加天线的带宽，使天线能工作在WLAN 2.4/5.2/5.8GHz和WiMAX 2.5/3.5/5.5 GHz的全部频段，同时又能实现天线的小型化设计，本文提出了一种矩形环极子和I形极子组合的双频天线结构。该天线由I形极子和环形极子辐射产生高低频段，并实现双频宽频带特性。该天线不仅能应用在WLAN通信终端设备，还能工作在WiMAX终端设备，与文献[1-10]中的天线相比较，具有明显的优势。

2 天线设计

天线的结构示意图如图1所示。该天线由一环形极子和I形极子组合而成，印制在一块厚度为1.6mm、相对介电常数为4.4 的FR4印刷电路基板上。矩形环的尺寸为W₁×L₁、厚度为W₃，I形极子的长度为S+S₁+L₂、宽度为W₂，I形极子和环形极子的长度分别约为高低谐振频率对应的1/4波长。该双频天线由共面波导馈电，50om微带馈线的宽度为W_f ，与地板之间的缝隙为g，两矩形地板的长为L、宽为W，并分布在馈线的两边。

图1 天线结构图

图2 各天线的回波损耗（天线的尺寸为：L =16 mm, W=14 mm, W_f =2.5 mm, g=1 mm, S= 4 mm, S₁=2.1 mm, L₁ =19 mm, L₂ =7.5 mm, W₁ =11.5 mm, W₂ =4.5 mm, W₃ =2 mm, g₁=1.5 mm）

在天线的设计过程中，首先应用仿真软件HFSS对天线进行初始化设计，先调整环形极子天线的参数使其工作在低频段，再在环形极子内嵌入I形极子天线，调增相应的设计参数，产生双频宽频特性。天线的设计参数和仿真的回波损耗由图2所示，从图2中可以看出，环形极子产生低频频段，I形极子产生高频频段；环形极子的长度S+L₁为谐振频率2.9 GHz对应波长的0.18倍，而I形极子的长度为谐振频率5.2GHz对应波长的0.24倍。

3 试验结果与分析

为了验证该组合双频天线设计方法的有效性，基于图2中给出的天线尺寸，我们加工了一天线样品，样品天线的照片见图3。天线仿真和实测的回波损耗见图4。从图中可以看出，天线实测的高低频段的10dB 阻抗带宽分别为46.3% (2.36-3.78 GHz)和31.4% (5.1-7 GHz)，能覆盖WLAN 2.4/5.2/5.8 GHz和WiMAX 2.5/3.5/5.5 GHz 工作频段，仿真的回波损耗和实测的结果基本吻合。

图3 天线照片

图4 实测的回波损耗

天线仿真的电流分布见图5。从图5(a)中可以看出，大部分电流集中在环形天线上，激励产生低频谐振；从图5(b)中可以看出，电流集中在I形天线上，激励产生高频谐振。也就是说，环形天线谐振产生低频频段，而I形极子谐振产生高频频段。

(a) 2.9GHz

( b) 5.4GHz

图5 在高低频谐振频率的电流分布图

(a)

(b)

(c)

图6 天线方向图

图7 天线增益

由于在各频段的方向图变化不大，我们测量了2.5 GHz、3.5 GHz和5.5 GHz时各坐标平面的方向图，如图6所示，这些方向图与偶极子天线的方向图基本相似。该天线在2.3–3.8 GHz and 5–6 GHz频段的增益分别从2.7到3.4dBi和2.5–4.1dBi，如图7所示。

4 结束语

本文提出了一种矩形环形极子与I形极子组合双频天线，该天线的结构简单、制造容易，并且在每个频段都实现了宽频带设计。该天线不仅能应用在WLAN通信终端设备，还能工作在WiMAX终端设备，具有良好的应用价值。