一種用于WLAN的雙頻反C形CPW饋電天線

周成森

(合肥工業大學電子科學與應用物理學院，安徽合肥 230009)

近年來，隨著無線局域網(WLAN)的廣泛應用，人們隨時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(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)這幾個頻段，這對天線工程師提出了新的要求。國內外已經對此進行了大量研究［1－7］。文獻［1］提出了一種半 U型開槽疊層寬帶微帶天線。這種天線結構簡單并可覆蓋5.2 GHz和5.8 GHz的頻帶，但無法滿足IEEE802.11b在2.4 GHz頻段上使用要求。而利用共面波導饋電的終端開路的矩形環單極子天線同樣是結構簡單，但在5.8 GHz的頻段上有所不足［2］。文獻［3］提出了一種E形微帶貼片和一個偶極子組成的天線。該天線雖然可以在兩個頻段內工作，但在2.4 GHz的頻帶內－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［4］提出一種G型單極子天線可滿足帶寬的需要，但11個自由量較多，使得天線設計較為復雜。文獻［5］中的平板單極子天線利用一片有切角的矩形單極子實現了完全覆蓋WLAN的所需范圍，結構簡單，然而面積過大。同時微波存取全球互通(WiMAX)所用的3.3～3.6 GHz處于WLAN的頻段之間。為達到陷波的效果，可在一個超寬帶單極子天線中加入微帶線以起到頻段阻斷的作用［6］。或者在共面波導的超寬帶單極子上開C型槽起到頻帶阻斷的作用［7］。然而這些設計同時也增加了天線系統的復雜性。W.C.Liu提出了一種結構簡單的雙頻CPW天線［8］。

基于共面波導(CPW)的研究［8－10］，文中提出了一種具有共面波導結構的反C型單極子雙頻天線。通過對天線的仿真優化，可以看出天線具有體積小、結構簡單的特點，且能同時工作在無線局域網的多個頻段上。

1 天線設計

天線結構如圖1所示。圖中該天線是一個有缺口的環形單極子。環形單極子底部一邊采用漸變結構［7］，這種結構使得天線從一個諧振頻率平坦地過渡到另一個諧振頻率上，從而實現單極子天線在較寬的頻帶上實現阻抗匹配。整個天線如同一只扳手，而其上部結構如同一個顛倒的字母C。C型結構的兩臂分別產生一個諧振頻率。該天線可看作一個長為(L1+T+L2)，寬為(W1+W2+W3)環形單極子減去左上角的部分所形成的。天線采用共面波導饋電，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。地板的長寬分別為L，W。

圖1 天線的幾何結構

天線設計在一塊相對介電常數為4.4，厚度為1.6 mm的FR4介質基板上。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 IEEE 802.11a/b/g中所規定的WLAN的工作波段。

2 仿真結果和分析

利用Ansoft HFSS進行優化，可得到較好的天線性能。天線的幾何參數如下:Wf=3 mm，g=0.5 mm，L=17 mm，W=1 mm，Ls=36 mm，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仿真結果，如圖2所示。可看出天線獲得－10 dB回波損耗的兩個頻段，分別是低頻段2.35～2.62 GHz和高頻段4.25～6.30 GHz。這兩個頻段覆蓋了IEEE 802.11a/b/g，并避開了WiMax的頻段。令天線的兩個諧振頻率分別為f1，f2(f1低于f2)。

圖2 仿真得到的S11曲線

在天線的其他參數不變的情況下，幾個重要參數分別改變對天線的影響。圖3所示的是L3的變化對于天線性能的影響。在天線其他參數不變的情況下，隨著L3的增大，高頻部分的有效帶寬從無到有，并且帶寬逐漸增大。從圖中可以看出當L3小于一定的長度時，天線就無法覆蓋 5.15～5.35 GHz，5.725～5.825 GHz這兩個WLAN所需的頻段。L3改變同時也會對低頻部分產生影響。當L3增大時，低頻部分的帶寬逐漸減小，f1平移到更低的頻率上。所以在權衡高低頻帶寬時，L3的長度選為5.5 mm。

圖3 短臂長度L3對S11的影響

圖4是L4對回波損耗的影響。可以看出L4的變化對高低頻都有影響，隨著L4的增加，f1，f2向更低的頻率移動，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。

圖4 L4對S11的影響

由圖5可以看出天線邊緣到基板邊緣的距離對天線的阻抗帶寬有較大影響，屬于敏感參數。隨著L5減小，天線的阻抗帶寬在低頻略有增加，同時中心頻率向高頻方向偏移;而同時天線高頻部分的帶寬減小，中心頻率也向更高頻方向偏移。設計時需根據實際需要，確定天線基板的長度。

圖6表示該天線在2.5 GHz和5.4 GHz頻點上的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 結束語

介紹了一種雙頻單極子天線。該天線在CPW結構上利用其兩臂來產生兩個不同的諧振頻率(2.35～2.61 GHz和4.69～6.46 GHz)，且兩個諧振點的位置和帶寬都符合WLAN的設計要求。該天線體積比文獻［8］中天線的體積減小了17.1%。同時該天線具有雙頻帶的特點，結構簡單、剖面低、易和電路集成、成本低，可以應用于WLAN系統中。

［1］ 楊曉冬，陳彭，佟浩.U型開槽疊層寬帶微帶天線的設計［J］.哈爾濱工程大學學報，2008，29(3):299 －304.

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［3］ 李迎送，劉乘源，楊曉冬，等.一種小型化雙頻天線的設計與分析［J］.無線電通信技術，2010，36(4):33－35.

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