面向無線局域網的雙頻圓極化印刷天線研究

王聚道，石承鑫，韓榮蒼，孫如英

(臨沂大學 物理與電子工程學院，山東 臨沂 276000)

1 雙頻段圓極化印刷天線廣泛應用的需求

圓極化(Circular-Polarization，CP)天線的優勢主要體現在：(1)可接收任意極化的來波，且其輻射波也可由任意極化天線接收；(2)在通信、雷達的極化分集工作和電子對抗等應用中，其旋向正交性得到廣泛應用；(3)圓極化波入射到對稱目標時極化旋向逆轉，應用于無線通信、衛星導航時，能抑制雨霧干擾和抗多徑反射[1]。隨著無線通信技術的發展，為了滿足日益增長的移動數據需求，面向無線局域網的多頻段技術應運而生。這就需要將不同頻段的相同應用集成到一套設備中，所以，近年來，雙頻段圓極化印刷天線引起廣泛的關注。

對于平面印刷天線，實現雙頻圓極化的方式有微帶貼片結構[2-3]、單極子結構[4-5]、寬縫隙結構[6-7]3種。雙頻圓極化微帶貼片天線一般采用雙層結構或引入雙頻微擾結構，結構比較緊湊，但每個工作頻段往往帶寬較窄，相對帶寬在1%～5%以內。單極子型圓極化印刷天線一般包含兩個不同電尺寸的單極子，二者分別低頻段和高頻段形成了兩個諧振點，實現雙頻工作；這類天線設計理念簡單，但往往電尺寸較大。寬縫隙型圓極化印刷天線常在饋電結構中加入雙頻諧振結構，天線的性能參數也可以通過縫隙加微擾調節，設計靈活性強；另外，這類圓極化天線的兩個工作頻段往往可以實現比較理想的工作帶寬。本文面向無線局域網應用，設計了一副雙頻寬帶圓極化印刷天線，能夠覆蓋IEEE 802.11協議下的主要工作頻段。

2 天線的結構

天線的幾何結構中，介質基板選用FR-4，相對介電常數εrs=4.4，損耗角正切tanδ=0.002，厚度t=1 mm。介質上層貼片由上角為L型枝節、兩個垂直的矩形組成，天線采用偏置的微帶線饋電。L型枝節和矩形A可以產生低頻段的右旋圓極化(Right-Hand Circular Polarization，RHCP)波，而矩形B和偏饋結構可以產生高頻段的左旋圓極化(Left-Hand Circular Polarization，LHCP)波。天線的幾何結構如圖1所示。介質下層地板由一個去心方框構成，采用HFSS14.0仿真優化后的天線各參數的值，如表1所示。

圖1 天線幾何結構

表1 天線各參數的尺寸

3 實驗結果與分析

天線的阻抗匹配可以通過反射系數衡量，反射系數S11的仿真結果如圖2所示，在1.95～6.5 GHz，S11的值均小于-10 dB，阻抗帶寬達到113%。

該天線實現了較寬的圓極化軸比帶寬，在兩個頻率附近的3-dB的相對軸比帶寬為51.2%(2.19～3.47 GHz)，22.4%(4.88～6.18 GHz)，體現了較良好的圓極化輻射特性。以上兩個頻段覆蓋所有無線局域網應用頻段。天線在兩個頻段的最大增益分別達到了4.5 dBi(2.9 GHz )和3.0 dBi(5.85 GHz)。軸比和增益仿真結果如圖3所示。

圖2 S11仿真結果

圖3 軸比和增益仿真結果

天線輻射方圖的仿真結果中，分別畫出了天線在兩個頻率點2.5 GHz，5.5 GHz的xz與yz面的方向圖。結果顯示，該天線在+z方向上在低頻段可以輻射RHCP波，而在高頻段可以輻射LHCP波。由于電磁波極化的正交性，兩個頻段互不干擾。如圖4—7所示。

圖4 f=2.5 GHz，xz面

圖5 f=2.5 GHz，yz面

圖6 f=5.5 GHz，xz面

圖7 f=5.5 GHz，yz面

4 結語

本文設計的雙頻圓極化印刷天線，在2.5 GHz(2.19～3.47 GHz)和5.5 GHz(4.88～6.18 GHz)兩個頻段實現了圓極化工作，并且在最大輻射方向低頻段實現了右旋圓極化，高頻段實現了左旋圓極化，二者不相互干擾。天線阻抗匹配和軸比性能良好，體積較小，在WLAN領域必然具有很大的工程應用價值。