一種用于WLAN的雙頻反C形CPW饋電天線

摘要 提出了一種新穎的由共面波導(dǎo)(CPW)饋電的單極子雙頻天線。天線可分別在2．5 GHz和5．5GHz頻率上諧振。該天線由一個(gè)反C型單極子組成，如同一個(gè)缺了一角的環(huán)形單極子，結(jié)構(gòu)簡(jiǎn)單。利用HFSS仿真得到的-10dB阻抗帶寬分別為低頻部分10．4％(2．35～2．61 GHz)，高頻部分27．8％(4．96～6．46 GHz)，能夠滿足無線局域網(wǎng)(WLAN)的需要。同時(shí)天線的體積較小可以降低成本。
關(guān)鍵詞 CPW；雙頻；反C型單極子；WLAN

    近年來，隨著無線局域網(wǎng)(WLAN)的廣泛應(yīng)用，人們隨時(shí)隨地都可以享受到便捷的無線通信。為了更大程度地滿足用戶的需求，新的無線局域網(wǎng)(WLAN)必須覆蓋2．4 GHz(2．4～2．484 GHz)、5．2 GHz(5．15～5．35 GHz)和5．8 GHz(5．725～5．825 GHz)這兒個(gè)頻段，這對(duì)天線工程師提出了新的要求。國(guó)內(nèi)外已繹對(duì)此進(jìn)行了大量研究。文獻(xiàn)提出了一種半U(xiǎn)型開槽疊層寬帶做帶天線。這種天線結(jié)構(gòu)簡(jiǎn)單并可覆蓋5．2 GHz和5．8 GHz的頻帶，但無法滿足IEEE802．11h在2．4 GHz頻段上使用要求。而利用共面波導(dǎo)饋電的終端開路的矩形環(huán)單極子天線同樣是結(jié)構(gòu)簡(jiǎn)單，但在5．8GHz的頻段上有所不足。文獻(xiàn)提出了一種E形微帶貼片和一個(gè)偶極子組成的天線。該天線雖然可以在兩個(gè)頻段內(nèi)工作，但在2．4 GHz的頻帶內(nèi)-10 dB阻抗帶寬不足以完全覆蓋2．400～2．484 GHz的頻率范圍。文獻(xiàn)提出一種G型單極子天線可滿足帶寬的需要，但11個(gè)自由量較多，使得天線設(shè)計(jì)較為復(fù)雜。文獻(xiàn)中的平板單極子天線利用一片有切角的矩形單極子實(shí)現(xiàn)了完全覆蓋WLAN的所需范圍，結(jié)構(gòu)簡(jiǎn)單，然而面積過大。同時(shí)微波存取全球互通(wiMAX)所用的3．3～3．6 GHz處于WLAN的頻段之問。為達(dá)到陷波的效果，可在一個(gè)超寬帶單極子天線中加入微帶線以起到頻段阻斷的作用?；蛘咴诠裁娌▽?dǎo)的超寬帶單極子上開C型槽起到頻帶阻斷的作用。然而這些設(shè)計(jì)同時(shí)也增加了天線系統(tǒng)的復(fù)雜性。W．C．Liu提出了一種結(jié)構(gòu)簡(jiǎn)單的雙頻CPW天線。
    基于共面波導(dǎo)(CPW)的研究，文中提出了一種具有共面波導(dǎo)結(jié)構(gòu)的反C型單極子雙頻天線。通過對(duì)天線的仿真優(yōu)化，可以看出天線具有體積小、結(jié)構(gòu)簡(jiǎn)單的特點(diǎn)，且能同時(shí)工作在無線局域網(wǎng)的多個(gè)頻段上。

1 天線設(shè)計(jì)
    天線結(jié)構(gòu)如圖1所示。圖中該天線是一個(gè)有缺口的環(huán)形單極子、環(huán)形單極子底部一邊采用漸變結(jié)構(gòu)，這種結(jié)構(gòu)使得天線從一個(gè)諧振頻率平坦地過渡到另一個(gè)諧振頻率上，從而實(shí)現(xiàn)單極子天線在較寬的頻帶上實(shí)現(xiàn)阻抗匹配。整個(gè)天線如同一只扳手，而其上部結(jié)構(gòu)如同一個(gè)顛倒的字母C。C型結(jié)構(gòu)的兩臂分別產(chǎn)生一個(gè)諧振頻率。該天線可看作一個(gè)長(zhǎng)為(L1+T+L2)，寬為(W1+W2+W3)環(huán)形單極子減去左上角的部分所形成的。天線采用共面波導(dǎo)饋電，特征阻抗為50 Ω，微帶饋線寬度Wf，饋線和地板之間的縫隙寬度為g。地板的長(zhǎng)寬分別為L(zhǎng)，W。

    天線設(shè)計(jì)在一塊相對(duì)介電常數(shù)為4．4，厚度為1．6 mm的FR4介質(zhì)基板上。天線總尺寸為36 mm×28．6 mm×1．6 mm。天線分別諧振在2．5 GHz和5．5 GHz，并覆蓋了IEEE802．11 a／b／g中所規(guī)定的WLAN的工作波段。

2 仿真結(jié)果和分析
    利用Ansoft HFSS進(jìn)行優(yōu)化，可得到較好的天線性能。天線的幾何參數(shù)如下：Wf=3mm，g=0．5mm，L=17mm，W=1mm，Ls=36mm，Ws=28．6 mm，L1=1．5 mm，T=1．5 mm，W1=14．5mm，L2=12 mm，W2=0．5 mm，L3=5．5 mm，W3=1 mm，L4=9 mm，W4=0．5 mm，L5=2 mm。Wf、g分別取3 mm，1 mm使得天線的CPW傳輸線的阻抗為50 Ω。通過HFSS仿真得到天線的S11仿真結(jié)果，如圖2所示。可看出天線獲得-10 dB同波損耗的兩個(gè)頻段，分別是低頻段2．35～2．62 GHz和高頻段4．25～6．30 GHz。這兩個(gè)頻段覆蓋了IEEE 802．11a／b／g，并避開了WiMax的頻段。令天線的兩個(gè)諧振頻率分別為f1，f2(f1低于f2)。

    在天線的其他參數(shù)不變的情況下，幾個(gè)重要參數(shù)分別改變對(duì)天線的影響。圖3所示的是L3的變化對(duì)于天線性能的影響。在天線其他參數(shù)不變的情況下，隨著L3的增大，高頻部分的有效帶寬從無到有，并且?guī)捴饾u增大。從圖中可以看出當(dāng)L3小于一定的長(zhǎng)度時(shí)，天線就無法覆蓋5．15～5．35 GHz，5．725～5．825 GHz這兩個(gè)WLAN所需的頻段。L3改變同時(shí)也會(huì)對(duì)低頻部分產(chǎn)生影響。當(dāng)L3增大時(shí)，低頻部分的帶寬逐漸減小，f1平移到更低的頻率上。所以在權(quán)衡高低頻帶寬時(shí)，L3的長(zhǎng)度選為5．5 mm。

    圖4是L4對(duì)回波損耗的影響?？梢钥闯鯨4的變化對(duì)高低頻都有影響，隨著L4的增加，f1，f2向更低的頻率移動(dòng)，帶寬都在減小。說明隨著L4的增加，天線阻抗匹配情況越來越差。

    由圖5可以看出天線邊緣到基板邊緣的距離對(duì)天線的阻抗帶寬有較大影響，屬于敏感參數(shù)。隨著L5減小，天線的阻抗帶寬在低頻略有增加，同時(shí)中心頻率向高頻方向偏移；而同時(shí)天線高頻部分的帶寬減小，中心頻率也向更高頻方向偏移。設(shè)計(jì)時(shí)需根據(jù)實(shí)際需要，確定天線基板的長(zhǎng)度。

    圖6表示該天線在2．5GHz和5．4 GHz頻點(diǎn)上的E面、H面方向圖。天線E面方向圖在2．5 GHz處呈類似偶極子的啞鈴型，而在5．4 GHz處卻變得更像全向天線。而天線H面一直具有較好的全向性。

3 結(jié)束語
    介紹了一種雙頻單極子天線。該天線在CPW結(jié)構(gòu)上利用其兩臂來產(chǎn)生兩個(gè)不同的諧振頻率(2．35～2．61 GHz和4．69～6．46 GHz)，且兩個(gè)諧振點(diǎn)的位置和帶寬都符合WLAN的設(shè)計(jì)要求。該天線體積比文獻(xiàn)中天線的體積減小了17．1％。同時(shí)該天線具有雙頻帶的特點(diǎn)，結(jié)構(gòu)簡(jiǎn)單、剖面低、易和電路集成、成本低，可以應(yīng)用于WLAN系統(tǒng)中。