新型CPW饋電倒S型雙頻天線

 1 引言

在無線局域網(wǎng)通信系統(tǒng)中，基于節(jié)約成本的考慮，為能在同一天線上實現(xiàn)2.402GHz—2.482GHz(IEEE802.11b/g)和5.15GHz—5.87GHz(IEEE802.11a)頻段覆蓋，雙頻或多頻天線應(yīng)運(yùn)而生。CPW結(jié)構(gòu)具有工作頻帶寬、單一金屬層、易于與有源設(shè)備或MMIC集成等優(yōu)點，CPW饋電的天線已被很多人設(shè)計應(yīng)用于無線局域網(wǎng)通信。雙頻單極子，但它們共同的缺點是阻抗帶寬比較窄。文天線需要一短路探針連接地面和印刷單極子，這樣增加了設(shè)計的復(fù)雜性以及制作成本。一種CPW饋電的平面倒F天線(PIFA)，但結(jié)構(gòu)較復(fù)雜且尺寸還是較大。

本文給出了一種新型的應(yīng)用于無線局域網(wǎng)的倒S型CPW饋電雙頻天線，天線的整體結(jié)構(gòu)尺寸為20×16.5×1.6mm3。在Bluetooth/WLAN頻段內(nèi)達(dá)到頻帶工作要求，且輻射方向圖符合全向性。

2天線設(shè)計

圖1為雙頻印刷單極子天線的結(jié)構(gòu)圖。介質(zhì)基板為FR4，厚度為1.6mm，介電常數(shù)為4.4。天線的輻射單元類似于倒S型，采用CPW饋電方式。天線的結(jié)構(gòu)尺寸采用基于有限元的全波仿真軟件HFSS優(yōu)化得到。倒S型天線采用CPW饋電，CPW結(jié)構(gòu)的中心饋線尺寸Wf為2mm，槽寬g為0.2mm，剛好為標(biāo)準(zhǔn)的50W共面波導(dǎo)。在CPW中間信號線兩側(cè)兩個有限的地面的尺寸Lg×Wg都為8×7mm2。天線的主輻射單元是一個類似于倒S的結(jié)構(gòu)，整個倒S由6條帶線組成，他們的尺寸如下表所示：

倒S離地面的距離，即l5與地面的距離S，會影響到5GHz的頻段寬度及輻射方向圖，通過HFSS優(yōu)化得到S為1mm。

倒S型天線單元有兩個不同的諧振路徑，分別為L1等于I1+ I2+ I3+ I4和L2等于I5+ I6。這兩個不同的路徑長度L1,L2分別接近2.4GHz和5.2GHz的五分之一波長。通過調(diào)節(jié)L1的長度使天線諧振于2.4GHz工作頻段，同樣的通過調(diào)節(jié)L2的長度使天線諧振于5.2GHz工作頻段。另外，通過全局優(yōu)化天線的結(jié)構(gòu)尺寸(l1,l2,l3,l4,l5,l6，S)可以改善2.4GHz和5.2GHz的頻帶寬度。通過調(diào)節(jié)l4的長度，可以有效的展寬2.4GHz頻段的寬度。通過調(diào)節(jié)S的大小，可以有效的展寬5.2GHz頻段的寬度。

(a)

(b)

(a) 俯視圖 (b)前視圖

圖1 天線的幾何結(jié)構(gòu)圖

3實驗結(jié)果及討論

圖2為制作的天線實物。使用Agilent E5071B網(wǎng)絡(luò)分析儀天線的回波損耗進(jìn)行了測量，結(jié)果如圖3所示。圖中同時給出了仿真計算曲線，可見，兩者在工作頻段內(nèi)吻合的較好。測量得到的在2.4GHz和5GHz的-10dB測量阻抗帶寬分別為22.08%(2.2GHz-2.73GHz，中心頻率為2.41GHz)和22.7%(4.65GHz-5.93GHz，中心頻率為5.65GHz)。滿足雙頻WLAN應(yīng)用所需的頻段要求。

圖2 實物圖

圖3 天線的測量與仿真回波損耗 在2.4GHz、5.2GHz和5.8GHz三個頻點上測量得到的輻射方向圖分別如圖4、圖5和圖6所示?？梢郧宄目闯觯谌齻€頻點上的輻射方向圖都類似全向性。在yoz面，在2.4GHz、5.2GHz和5.8GHz 的輻射方向圖更接近于全向性。圖7為天線的測量增益，圖7(a)為2.4GHz頻段的增益頻響曲線，增益的最大值為1.65dBi;圖7(b)為5GHz頻段的增益頻響曲線，增益的最大值為6.1dBi.

(a) xoy 面

(b) xoz面

(c) yoz面

圖4 天線2.4GHz輻射方向圖

(—co-pol,----cross-pol)

(a) xoy面

(b) xoz面

(c) yoz面

圖5 天線5.2GHz輻射方向圖

(—co-pol,----cross-pol)

(a)xoy面

(b) xoz面

(c) yoz

圖6 天線5.8GHz輻射方向圖

(—co-pol,----cross-pol)

(a)

(b)

圖7 天線的測量增益頻響曲線

(a)2.4GHz (b)5GHz

4結(jié)論

本文設(shè)計并實測了一種應(yīng)用于無線局域網(wǎng)的新型小型化CPW饋電倒S型雙頻天線。該天線具有結(jié)構(gòu)尺寸小、低成本、低剖面等特點。另外，由實測結(jié)果表明，該天線工作帶寬很寬，覆蓋了Bluetooth/WLAN工作頻段，且輻射方向圖滿足全向性要求。由于仿真與實測結(jié)果一致，所設(shè)計的天線可以實際應(yīng)用于無線局域網(wǎng)通信系統(tǒng)。