一種適用于WLAN和WiMAX 的三頻圓極化開縫天線

李玲玲，馮全源，邱培熠

西南交通大學(xué) 信息科學(xué)與技術(shù)學(xué)院，四川 成都 611756

近年來，無線通信服務(wù)迅速發(fā)展，其中全球微波互聯(lián)接入(WiMAX)和無線局域網(wǎng)(WLAN)廣泛用于多種應(yīng)用。為了滿足無線通信大容量、多功能的需求，諸如WLAN和WiMAX的現(xiàn)代無線通信系統(tǒng)需要在多個(gè)頻帶上工作[1-3]。除了多頻帶要求之外，在許多情況下還需要圓極化天線[4-7]，因?yàn)榕c線極化天線相比，它們具有減少極化失配、抑制多徑干擾等優(yōu)點(diǎn)。因此，具有多頻圓極化特性的天線已成為研究熱點(diǎn)。文獻(xiàn)[8-15]對(duì)多頻圓極化天線進(jìn)行了大量的研究。

本文針對(duì)WLAN和WiMAX應(yīng)用，提出了一種三頻圓極化開縫天線。該天線由C形輻射貼片和具有垂直縫和似勺狀枝節(jié)的開縫地平面組成。通過似勺狀枝節(jié)和垂直縫的干擾，從而實(shí)現(xiàn)了三頻圓極化特性。

1 天線設(shè)計(jì)

在文獻(xiàn)[5]中，雙頻圓極化微帶單極子天線由C形和L形饋線，以及地平面組成。該天線易于制造，但低頻段的軸比帶寬相對(duì)較窄。與文獻(xiàn)[5]類似，另一種雙頻圓極化天線[6]也具有簡單的結(jié)構(gòu)，包括一個(gè)F形單極子和一個(gè)倒L形條帶。然而它僅覆蓋了2.4/5.2 GHz WLAN頻段。文獻(xiàn)[16]通過調(diào)整半圓形互補(bǔ)單極子結(jié)構(gòu)和2個(gè)互補(bǔ)調(diào)諧短截線實(shí)現(xiàn)雙頻圓極化特性。但其中一個(gè)軸比帶寬僅為1.66%(2.39～2.43 GHz)。微帶貼片天線[17]使用雙層結(jié)構(gòu)來獲得三頻圓極化性能，但每個(gè)軸比帶寬都很窄。在文獻(xiàn)[18]中，一個(gè)倒U形輻射貼片圍繞水平軸旋轉(zhuǎn)45°，并與一個(gè)I形和倒L形條帶連接，用于設(shè)計(jì)三頻圓極化天線，并應(yīng)用頻率選擇表面(FSS)來實(shí)現(xiàn)四頻圓極化天線[19]。雖然使用了簡單的FSS，但它增加了天線的輪廓。單極子天線[20]采用5個(gè)半環(huán)形弧作為輻射元件，通過在地面上插入一個(gè)C形槽，實(shí)現(xiàn)了四頻圓極化輻射。本文設(shè)計(jì)出了新的三頻圓極化天線。

1.1 天線結(jié)構(gòu)

天線的結(jié)構(gòu)示意圖如圖1所示，該天線總體尺寸為50 mm×50 mm×0.8 mm。天線采用FR4基板(厚度：0.8 mm，損耗角正切：0.02，相對(duì)介電常數(shù)：4.4)，并通過共面波導(dǎo)饋電。其中心信號(hào)線寬度為3.0 mm，信號(hào)線與周圍地面之間的間隔為0.35 mm，使共面波導(dǎo)的特性阻抗為50 Ω。天線由C形輻射貼片和調(diào)整后的接地板組成，兩者位于基板的同側(cè)。C形輻射貼片具有圖1(a)中所示的尺寸，并且連接在共面波導(dǎo)饋線的末端。此外，從共面波導(dǎo)饋線的兩側(cè)移除兩個(gè)相同的矩形缺口能幫助調(diào)節(jié)帶寬。地平面是非對(duì)稱的，其結(jié)構(gòu)如圖1(a)所示，通過高度不對(duì)稱激發(fā)高頻段圓極化特性[21]。由于其地板高度的不對(duì)稱性以及開縫、似勺狀枝節(jié)和地板右下角垂直縫的微擾，從而實(shí)現(xiàn)了三頻圓極化。所提出的天線由電磁仿真軟件Ansoft HFSS 18.0對(duì)天線模型進(jìn)行仿真和優(yōu)化。

圖1 天線結(jié)構(gòu)示意圖和尺寸/mm

1.2 設(shè)計(jì)分析

圖2 天線設(shè)計(jì)過程

圖3 不同結(jié)構(gòu)的天線的仿真結(jié)果

天線1利用寬縫天線的寬頻特性，在2～6 GHz獲得了較寬的阻抗帶寬，從圖3(b)可以看出，雖然實(shí)現(xiàn)了4.65～5.11 GHz之間的軸比帶寬，但2～4 GHz的圓極化特性還不能滿足要求。天線2在接地板的左下方開了一個(gè)長度為7.0 mm的槽，并將L形分支與接地板連接以形成開縫結(jié)構(gòu)。如圖3所示，當(dāng)添加開縫結(jié)構(gòu)后，結(jié)果顯示天線2的阻抗帶寬保持不變，甚至比天線1更好。低頻段的圓極化特性也得到改善，但它仍然不具備多頻和寬帶圓極化特性。為了進(jìn)一步擴(kuò)展天線2的圓極化帶寬。天線3在接地板上增加了一個(gè)類似勺狀的枝節(jié)。從圖3中天線3的特性可以看出，軸比帶寬明顯變寬，但是由于似勺狀結(jié)構(gòu)與C形輻射貼片之間存在較強(qiáng)的電容耦合，使得天線3的工作帶寬減小至2.3～4.18 GHz。盡管似勺狀枝節(jié)可以使天線3獲得較寬的軸比帶寬(4.21～6.00 GHz)，但即使對(duì)其尺寸進(jìn)行優(yōu)化，也只能獲得單個(gè)軸比帶寬。所以，在天線3的結(jié)構(gòu)基礎(chǔ)上，天線4在接地板右下角靠近信號(hào)線的地方開了一個(gè)垂直縫，根據(jù)圖3(a)中天線4的結(jié)果可以看出，采用垂直縫后，工作頻段變寬，這主要是由于C形輻射貼片與接地板之間的電容耦合變?nèi)酰纳屏怂粕谞钪?jié)對(duì)阻抗帶寬的負(fù)面影響。如圖3(b)所示，該方法不僅使高頻段的阻抗帶寬有所改善，而且獲得了三頻圓極化特性。

為了說明3dB軸比帶寬是如何隨著設(shè)計(jì)過程而提高的，圖4給出了天線1～4的電場水平分量和垂直分量在主軸方向上的幅度比和相位差。圓極化可以通過激勵(lì)兩個(gè)振幅相等、相位差為90°的正交模產(chǎn)生。對(duì)于天線1，電場分量在中頻段具有90°的相位差，但此時(shí)的振幅比遠(yuǎn)遠(yuǎn)超過1，所以，天線1在中頻段無法實(shí)現(xiàn)3 dB軸比帶寬。如圖4(b)所示，在天線2引入開縫結(jié)構(gòu)后，與天線1相比，振幅比更接近1。然而，這些變化遠(yuǎn)遠(yuǎn)不夠。之后在天線3中增加了一個(gè)似勺狀的枝節(jié)。如圖4所示，在較寬的頻率范圍內(nèi)，相位差的變化保持在90°左右，振幅比也保持在1左右。因此，天線3獲得了較寬的軸比帶寬(4.21～6.00 GHz)。此外，如圖4(a)和(b)所示，天線4引入的垂直縫能夠提供圓極化所需的相位差，以及相等的電場振幅。由于合適的相位差和合適的振幅比，實(shí)現(xiàn)了另外2個(gè)圓極化帶寬。

圖4 輻射電場分量的相位差和幅度比

圖5 展示了分別在2.296、3.592和4.912 GHz下0°和90°相位處天線的表面電流分布，用以解釋圓極化機(jī)理。圖5中的黑色箭頭表示一個(gè)電流矢量，紅色箭頭表示所有主要電流的矢量和。從圖5(a)可以看出，在0°時(shí)，電流主要分布在似勺狀枝節(jié)和C形輻射貼片上，在90°時(shí)，電流主要集中在似勺狀枝節(jié)上。紅色箭頭在0°和90°是正交的，并且隨著時(shí)間的增加逆時(shí)針旋轉(zhuǎn)，從而向主軸方向輻射右旋圓極化波。類似地，對(duì)于3.592 GHz和4.912 GHz，電流方向隨時(shí)間逆時(shí)針旋轉(zhuǎn)，也向主軸方向輻射右旋圓極化波。

1.3 優(yōu)化仿真

為了分析天線相應(yīng)結(jié)構(gòu)的參數(shù)對(duì)軸比和阻抗帶寬的影響，使天線達(dá)到更好的優(yōu)化性能，本節(jié)研究了不同的參數(shù)對(duì)天線性能的影響。當(dāng)研究一個(gè)參數(shù)時(shí)，所有其他參數(shù)保持最佳。圖6給出了似勺狀枝節(jié)的長度(L1)對(duì)天線阻抗帶寬和軸比帶寬的影響。很明顯，改變L1會(huì)對(duì)軸比帶寬和阻抗帶寬產(chǎn)生很大的影響。雖然當(dāng)L1減小時(shí)實(shí)現(xiàn)了更寬的阻抗帶寬，但圓極化性能在2～4.5 GHz有所惡化。同時(shí)，在圖7中還研究了垂直縫的長度(L2)對(duì)天線性能的影響。從仿真結(jié)果可以看出，L2的變化對(duì)阻抗帶寬影響很小。當(dāng)L2增加時(shí)，高頻段的阻抗帶寬逐漸惡化。另外，發(fā)現(xiàn)低頻段和中頻段軸比帶寬對(duì)L2的變化非常敏感。隨著L2從3.0 mm增加到7.0 mm，中低頻段的圓極化性能顯著提高，當(dāng)L2=7.0 mm時(shí)出現(xiàn)3個(gè)軸比帶寬，但當(dāng)L2從7.0 mm變化到9.0 mm時(shí)，圓極化性能又出現(xiàn)惡化。綜合考慮L1和L2對(duì)天線性能的影響，最終長度為L1=14.0 mm，L2=7.0 mm。

2 測試結(jié)果與分析

圖5 仿真電流分布

圖6 L1對(duì)天線性能的影響結(jié)果

圖7 L2對(duì)天線性能的影響結(jié)果

圖8 實(shí)測與仿真結(jié)果

圖9 天線在xoz及yoz平面上右旋圓極化輻射方向圖

3 結(jié)論

本文提出了一種適用于 WLAN 和 WiMAX 的三頻圓極化開縫天線。并對(duì)天線進(jìn)行了加工與測試。

1）該天線有2個(gè)工作帶寬為 2.22～4.21GHz和4.84～6.00 GHz， 軸比帶寬分別為 2.17～2.47 GHz，3.46～3.76 GHz，4.17～6.00 GHz。比文獻(xiàn) [9]和 [10]中的天線具有更寬的工作帶寬和阻抗帶寬。

2）該天線只需要單面印刷且體積小，比文獻(xiàn)[11]中天線的剖面尺寸小31.74 mm。