一種應用在WLAN/ WiMAX的寬帶水平極化全向天線陣列

姜剛

【摘 要】本文研究了應用在WLAN/ WIMAX的一種寬帶水平極化全向天線陣列，是由四個波紋加載的錐銷縫隙天線（TSA）單元組成。加載波紋槽的目的是為了實現天線陣列的小型化。利用TSA單元的非諧振特性，該天線陣列的阻抗帶寬（小于-10dB）可以達到1.5GHz（2.2-3.7GHz），覆蓋了WLAN/ WIMAX頻帶。在工作頻段內，E面方向圖的增益變化小于1.6dB。

【關鍵詞】寬帶；水平極化；全向；錐銷縫隙天線（TAS）；WLAN；WIMAX

0 引言

水平極化全向天線在室內基站無線通信中變得越來越有吸引力。水平極化全向天線設計的難點之一是阻抗匹配，環形天線的輻射電阻小且電抗高，在有限的帶寬內阻抗匹配比較差[1]。自從一種水平極化的全向線結構Alford環形天線提出來之后[2]，一些相似的Alford環形天線被提出來并被研究[3-5]。通過加載周期平行板線（MNG-TL）設計了水平極化全向平面環形天線[6]。另一個難點是改善方向圖不圓度。通過采用非諧振單元[7]，四單元偶極子陣列排成圓陣實現了水平極化全向輻射。陣列中偶極子陣元的波束寬度窄導致水平面方向圖的不圓度比較差，在中心頻率處的不圓度大約為5dB。隨后提出了一種由四個弧形偶極子組成的寬帶水平極化全向天線[8]。

本文提出了一種波紋加載TSA天線陣列。該TSA陣列可以實現從2.2至3.7GHz（相對帶寬50%）頻率范圍內VSWR小于2的阻抗帶寬，覆蓋WLAN和WiMAX頻段，并且E面方向圖的增益變化小于1.6dB。

1 天線設計

1.1 天線結構

該天線的幾何形狀（如圖1所示）由四個錐銷縫隙天線和一分四的功分器組成。天線印刷在厚度為1mm，相對介電常數為2.65，損耗正切角為0.0017的介質基板上，饋電點位于圓盤中心，饋電網絡利用四分之一波長阻抗變換器實現陣元阻抗到200Ω的阻抗變換。在饋電點處，4個200Ω的阻抗并聯后輸出50Ω的阻抗。波紋加載TSA陣列為圓形盤，其直徑為90mm，陣列的其他尺寸通過仿真優化得到如下參數：R=45mm，S= 1mm，H=6.8mm，L=16.5mm，D=23.7mm，開口率r =0.07。

1.2 工作原理

為了更好地解釋該天線陣列的工作原理，以下通過兩部分進行分析：輻射部分和饋電網絡。

1.2.1 輻射部分

當TSA單元的長度L大于3λ0（λ0是在真空中最低頻率的波長）時，TSA單元可以在端射方向輻射[9]。為了TSA陣列在輻射方向得到很好的全向性，TSA陣元的輻射方向圖在E面要盡可能寬。選擇盡可能短的長度L，TSA單元E面可得到一個較寬的波束寬度，如圖1所示。所以設計的目標是實現E面良好的輻射全向性和寬帶阻抗匹配。

1.2.2 饋電網絡

為了給四個TSA 陣元饋電，設計了一個一分四的功分器，如圖2所示。饋電點位于圓盤中心，可通過SMA接頭直接連接到天線陣列。

1.3 結果和分析

用Ansoft HFSS仿真設計波紋加載TSA陣列，VSWR小于2的帶寬為50%（2.2GHz-3.7GHz），如圖3所示。E面方向圖在高頻處增益變化較大，在中心頻率處，E面方向圖增益變化小于1.6dB，如圖4所示。

2 結論

本文設計由四個波紋加載TSA單元組成的寬帶水平極化全向天線陣列。該天線陣列實現了從2.2至3.7GHz（相對帶寬50%）頻率范圍內VSWR小于2的阻抗帶寬。仿真結果表明，在中心頻率處E面方向圖具有良好的全向性，增益起伏小于1.6dB。因此，該陣列天線非常適用于WiMAX和WLAN系統。

【參考文獻】

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[責任編輯：楊玉潔]