用于WiMAX和4G網絡的多頻天線設計

崔文杰，馮青政，王輅，馮立營，鄭宏興

（天津職業技術師范大學天線與微波技術研究所，天津300222）

用于WiMAX和4G網絡的多頻天線設計

崔文杰，馮青政，王輅，馮立營，鄭宏興

（天津職業技術師范大學天線與微波技術研究所，天津300222）

針對無線設備的發展需求，設計了一種可用于無線局域網和第4代移動通信的多頻段天線。該天線采用矩形微帶天線結構，通過改變同軸線的饋電位置，并在邊緣開一個L形槽，使它在1.94 GHz、2.54 GHz、3.1 GHz和3.4 GHz的頻段能夠有效工作，且擁有一定帶寬，滿足系統對頻率的要求。利用電磁仿真軟件，研究了饋電位置、槽的位置及其形狀和尺寸對天線性能的影響，實驗驗證了所設計天線的性能。

邊緣開槽；多頻段天線；微帶天線

隨著無線設備的快速發展，即時通信變得越來越重要。全球微波互聯接入（worldwide interoperability for microwave access，WiMAX）是一種全新的接入方式。與傳統的無線局域網相比，它的傳輸距離更遠，接入速度更快，接入帶寬更寬，具有廣泛的應用前景。該接入方式主要的工作頻率為2.5 GHz、3.4 GHz和5.5 GHz［1-2］。長期演進技術（long term evolution，LTE）是國際認可的4G通信標準，已經成為全球移動運營商的主流技術。時分雙工（time division duplex，TDD）是中國4G網絡的2種模式之一，非常適合個人手持無線設備的搭載。天線作為終端設備的關鍵部件，對終端的性能至關重要，因此開展小型內置多頻段天線的研究具有重要意義。

微帶天線因其質量輕、體積小和易于制造等優點，已廣泛應用于無線設備中。文獻［3］和文獻［4］分別設計了2種多頻天線，可用于LTE無線通信，但結構過于復雜，尺寸較大，形狀不規則，不便用于手持設備中；文獻［5-7］分別設計了可用于WLAN/WiMAX的多頻天線，但其使用范圍僅限于局域網內部，無法連接外部網絡。為克服上述不足，本文設計了可以工作在4個頻段的微帶天線，且具有較高增益，方向性良好。所設計的天線結構簡單、體積小、擁有足夠帶寬、阻抗匹配特性良好，能夠覆蓋所需的各個頻段。

1　天線結構設計

矩形微帶天線是在一塊厚度遠小于工作波長的介質基板的一面覆以金屬輻射片，另一面全部覆以金屬薄層作接地板而成。它可以被視作一段半波長的、兩端斷開形成開路的低阻抗微帶傳輸線，因此輻射基本上可以認為是由輻射貼片開路邊的邊緣引起的。對于工作頻率為f的矩形微帶天線，可用下式近似計算輻射貼片的大小為：

式中：W和L分別為矩形貼片的寬和長；c為光速；εr為介質基板的介電常數；εe為有效介電常數；ΔL為等效輻射縫隙長度。具體計算式為：

式中：H為介質基板的厚度。使用同軸線饋電，在主模TM10工作模式下，饋電點在輻射貼片邊緣到中心的一半處時，輸入阻抗最高。近似計算出輸入阻抗為50 Ω時的饋電點位置為：

若將同軸線的饋電點移至矩形輻射貼片的對角線上，可使天線獲得雙頻工作特性。此外，通過在輻射貼片表面開槽實現多頻特性同樣是常用手段［8-10］。本文結合上述2種方法，調整同軸線的位置，并在輻射貼片上開槽，使天線實現了四頻工作，天線結構如圖1所示。其中，O點為矩形貼片的幾何中心。

圖1　天線結構示意圖

2　參數分析

根據式（1）至式（5），分別計算出輻射貼片的大小以及符合要求的饋電點位置，以實現雙頻工作特性，如圖2所示。之后，對輻射貼片進行開槽處理。在輻射貼片左側開2個矩形槽，二者相互連通形成一個L形槽，可使天線實現四頻特性。下面討論L形槽的尺寸和位置對天線性能的影響。

圖2　雙頻工作的|S11|

使用電磁軟件進行仿真，結果表明：若增大L3，會使3.1 GHz和3.5 GHz處的|S11|大幅降低，同時二者的頻率范圍會向低頻方向移動，使天線有效工作在所需頻段，如圖3所示。若減小W1，4個頻率的|S11|都會降低，諧振頻率也會稍有減小，如圖4所示。L3和W1是這個矩形槽的長和寬，二者互相協調，共同調節天線的頻率范圍，因此它對整個天線的性能至關重要。

參數L4表示矩形槽與輻射貼片邊緣的距離，L5表示矩形槽與輻射貼片中心的距離，二者的改變將影響輻射貼片的表面電流分布，進而影響天線的工作頻率。如果增大L4，邊緣處的電流密度會降低，導致|S11|有所升高，同時使中心頻率降低，如圖5所示。如果增大L5，2.4 GHz和3.1 GHz處的2個頻點會向高頻方向有較大偏移，而3.4 GHz處的頻點會向低頻方向移動，起到減小頻率間隔的作用，能夠有效彌補之前設計所造成的頻率誤差，如圖6所示。

圖3　|S11|隨L3的變化曲線

圖4　|S11|隨W1的變化曲線

圖6　|S11|隨L5的變化曲線

3　設計結果

根據以上分析，將圖2至圖6中效果最佳的參數列出，如表1所示。

表1　天線參數mm

使用本實驗室的AV3629矢量網絡分析儀測試，將得到的結果與最終的仿真結果對比，如圖7所示。結果表明，天線可以工作在1.901～1.955 GHz、2.526～2.560 GHz、3.067～3.115 GHz和3.388～3.435 GHz 4個頻段內，中心頻率分別為1.94 GHz、2.5 GHz、3.1 GHz和3.4 GHz，相對帶寬分別為2.78%、1.36%、1.55%和1.38%，可以有效工作在WiMAX、LTE和TDD系統下。由于受加工精度、材料參數等因素的影響，在高頻段的實測結果與仿真結果稍有偏差，但并不影響實際使用需求。

選取4個中心頻率，對天線的遠場輻射特性進行仿真，通過觀察天線的電場（E面）和磁場（H面）輻射特性，得到方向圖如圖8所示。由圖8可以看出，天線在低頻段具有良好的定向輻射特性。隨著頻率的升高，個別方向增益略有下降，但結果都在可接受的范圍內。

圖7　仿真和實驗的|S11|對比圖

圖8　天線遠場輻射方向圖

4　結束語

在微帶天線的結構基礎上，通過調整饋電點的位置，并在輻射貼片邊緣開一個L型槽，實現了四頻工作特性。設計樣品的測試結果表明，其在WiMax、LTE和TDD的工作頻段內性能良好，能夠在這些系統中穩定工作。實際應用中，調節同軸線的位置和槽的尺寸可以對頻率進行微調，使其滿足個人用手持無線設備的需要，研究表明本設計在工程實踐中具有較強的實用性。

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Design of multi-band antenna for WiMAX and 4G network applications

CUI Wen-jie，FENG Qing-zheng，WANG Lu，FENG Li-ying，ZHENG Hong-xing
（Institute of Antenna and Microwave Techniques，Tianjin University of Technology and Education，Tianjin 300222，China）

In order to realize the needs of wireless equipment，a multi-band antenna for wireless local area network and the fourth generation mobile communication systems is designed in this paper.Rectangular microstrip antenna structure is adopted.The position of coaxial feeder is adjusted，and an L-shaped slot is grooved around the edge of radiation patch.The antenna can be worked at 1.94 GHz，2.5 GHz，3.1 GHz and 3.4 GHz frequencies with bandwidth enough，and is suitable for frequency requirements above wireless systems.The performances of antenna influenced by the position of coaxial feeder and slot，shape and size of slot are investigated by using electromagnetic simulation software.Experimental results are verified the properties of this design.

edge slotting；multi-band antenna；microstrip antenna

TN822

A

2095－0926（2016）03－0036－04

2016-06-20

大學生創新創業訓練計劃項目（201510066034）；天津市應用基礎及前沿技術研究計劃項目（14JCQNJC0110）.

崔文杰（1995—），男，本科生；鄭宏興（1962—），男，教授，博士，碩士生導師，研究方向為天線、微波電路和計算電磁學.