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        一種應用在WLAN/ WiMAX的寬帶水平極化全向天線陣列

        2016-06-08 12:50:38姜剛
        科技視界 2016年14期
        關鍵詞:水平極化全向寬帶

        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(xiàn)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(nèi),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(nèi)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(huán)形天線的輻射電阻小且電抗高,在有限的帶寬內(nèi)阻抗匹配比較差[1]。自從一種水平極化的全向線結(jié)構(gòu)Alford環(huán)形天線提出來之后[2],一些相似的Alford環(huán)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(huán)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(xiàn)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(xiàn)從2.2至3.7GHz(相對帶寬50%)頻率范圍內(nèi)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(jié)構(gòu)

        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(shù)為2.65,損耗正切角為0.0017的介質(zhì)基板上,饋電點位于圓盤中心,饋電網(wǎng)絡利用四分之一波長阻抗變換器實現(xiàn)陣元阻抗到200Ω的阻抗變換。在饋電點處,4個200Ω的阻抗并聯(lián)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(yōu)化得到如下參數(shù):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(wǎng)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(xiàn)E面良好的輻射全向性和寬帶阻抗匹配。

        1.2.2 饋電網(wǎng)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(jié)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(jié)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(xiàn)了從2.2至3.7GHz(相對帶寬50%)頻率范圍內(nèi)VSWR小于2的阻抗帶寬。仿真結(jié)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(tǒng)。

        【參考文獻】

        [1]C.A.Balanis, Antenna Theory: Analysis and Design, 3rd ed. Hoboken, NJ: Wiley-Interscience, 2005[Z].

        [2]Alford, Andrew, and A. G. Kandoian, “Ultrahigh-frequency loop antennas,” Electrical Engineering, 1940, 59: 843-848[Z].

        [3]Chuang, Huey-Ru, et al, “Omni-directional horizontally polarized Alford loop strip antenna,” U.S. Patent No. 5,767,809. 16 Jun. 1998[Z].

        [4]Lin, C-C., L-C. Kuo, and H-R. Chuang, “A horizontally polarized omnidirectional printed antenna for WLAN applications,” Antennas and Propagation, IEEE Transactions, 2006, 54: 3551-3556[Z].

        [5]Ahn, Chi-Hyung, Seong-Won Oh, and Kai Chang, “A dual-frequency omnidirectional antenna for polarization diversity of MIMO and wireless communication applications,” Antennas and Wireless Propagation Letters, 2009, 8: 966-969[Z].

        [6]Wei, Kunpeng, et al, “A MNG-TL Loop Antenna Array With Horizontally Polarized Omnidirectional Patterns,” Antennas and Propagation, IEEE Transactions, 2012. 60: 2702-2710[Z].

        [7]Brachat, P., and C. Sabatier, “Wideband omnidirectional microstrip array,” Electronics Letters, 2001, 37: 2-3[Z].

        [8]Quan, Xu Lin, et al, “A Broadband Dual-Polarized Omnidirectional Antenna for Base Stations,” Antennas and Propagation, IEEE Transactions, 2013, 61: 943-947[Z].

        [9]Schaubert D, Kollberg E, Korzeniowski T, et al, “ Endfire tapered slot antennas on dielectric substrates,”Antennas and Propagation, IEEE Transactions, Vol. 33, 1392-1400, 1985[Z].

        [10]Abbosh, A. M, “Miniaturization of planar ultrawideband antenna via corrugation,” Antennas and Wireless Propagation Letters, IEEE, Vol. 7, 685-688, 2008[Z].

        [責任編輯:楊玉潔]

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