李曉笛 杜成珠

(上海電力大學(xué)電子與信息工程學(xué)院 上海 200090)

0 引 言

無線通信系統(tǒng)近年來發(fā)展迅速，平面印刷天線由于體積小、重量輕、加工簡(jiǎn)單、易于集成等特點(diǎn)，在學(xué)術(shù)界和工業(yè)界引起了廣泛關(guān)注[1]。近年來平面天線的研究主要集中在兩個(gè)熱點(diǎn)：超寬帶和多頻天線[2]。而用于WLAN和WiMAX無線系統(tǒng)的多頻天線是這些研究熱點(diǎn)的重要應(yīng)用。此外，工信部于2018年底公布的中國5G頻譜資源分配計(jì)劃(要求天線工作在3.4～3.5、3.5～3.6、4.8～4.9 GHz)對(duì)多頻天線的工作頻帶提出了更高的要求。平面天線由于饋電簡(jiǎn)單、制造成本低和易于集成等優(yōu)點(diǎn)而被廣泛應(yīng)用于多頻天線設(shè)計(jì)[3～12]。文獻(xiàn)[3]中天線通過結(jié)合L形枝節(jié)、缺陷饋線和缺陷接地平面實(shí)現(xiàn)了三頻工作。文獻(xiàn)[4]中的天線由矩形環(huán)和“叉”形饋線實(shí)現(xiàn)三頻。文獻(xiàn)[5]中的天線由一個(gè)小的內(nèi)部矩形環(huán)、一個(gè)帶有三個(gè)縫隙和一個(gè)寄生帶的外部矩形環(huán)組成，用于WLAN和WiMAX應(yīng)用。文獻(xiàn)[6]中的三頻天線由帶有CSRR縫隙和常規(guī)接地平面的圓形貼片組成。文獻(xiàn)[7]中天線通過兩個(gè)環(huán)形條帶的互相嵌套和兩個(gè)連接在共面波導(dǎo)接地板的矩形條帶實(shí)現(xiàn)了三頻工作。文獻(xiàn)[8]使用圓環(huán)、Y形帶和有缺陷的接地平面來設(shè)計(jì)三頻天線。文獻(xiàn)[9]提出了一種緊湊的單饋三頻共形圓極化雙環(huán)形縫隙天線，其由兩個(gè)同心的環(huán)形槽組成。文獻(xiàn)[10]中的天線主要由矩形貼片組成，通過貼片左右兩側(cè)有對(duì)稱的F形槽實(shí)現(xiàn)了多頻。文獻(xiàn)[11]中的天線通過引入矩形槽環(huán)、倒L形和C形槽以實(shí)現(xiàn)三頻特性。文獻(xiàn)[12]提出了一種不對(duì)稱天線，其一側(cè)由C形和U形單極組成，另一側(cè)與F形帶耦合。盡管上述天線都通過各種結(jié)構(gòu)和方法實(shí)現(xiàn)了多頻帶工作，但天線貼片幾何結(jié)構(gòu)較為復(fù)雜，天線整體尺寸較大。

本文介紹了一種應(yīng)用于WLAN、WiMAX和5G的緊湊型三頻天線。天線印刷在厚度為1.6 mm的FR- 4介質(zhì)基板上，整體尺寸為20 mm×30 mm×1.6 mm。它由共面波導(dǎo)(CPW)饋電，以實(shí)現(xiàn)良好的阻抗匹配和更大的工作帶寬。天線結(jié)構(gòu)簡(jiǎn)單緊湊，通過在主輻射貼片和共面波導(dǎo)地面上額外增加的條帶實(shí)現(xiàn)了三頻工作。測(cè)量結(jié)果表明，本文提出的三頻天線滿足WLAN(2.4 GHz、5.2 GHz、5.8 GHz)、WiMAX(3.5 GHz、5.5 GHz)和5G通信系統(tǒng)的頻段要求。

1 天線結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)

本文所提出的三頻天線結(jié)構(gòu)如圖1所示。天線整體尺寸(W1×L1)為20 mm×30 mm。天線印刷在1.6 mm厚的FR- 4基板上，相對(duì)介電常數(shù)為4.4，損耗角正切為0.02。該天線由CPW饋電，其傳輸線寬度Wf為3 mm，傳輸線兩側(cè)的間隙g為0.2 mm。天線的三頻帶工作是通過集成在矩形貼片和CPW接地貼片的兩個(gè)條帶實(shí)現(xiàn)的。通過ANSYS HFSS對(duì)天線進(jìn)行模擬和優(yōu)化，天線尺寸參數(shù)如表1所示。圖2為天線的實(shí)物照片。

圖1 天線結(jié)構(gòu)示意圖

表1 天線的幾何尺寸

圖2 天線實(shí)物照片

矩形貼片的長(zhǎng)度和寬度由矩形貼片天線方程[13]確定。每個(gè)條帶的長(zhǎng)度按照所需諧振頻率下波長(zhǎng)的四分之一左右設(shè)計(jì)，具體計(jì)算公式為：

(1)

(2)

式中：Lr表示條帶的長(zhǎng)度；f表示諧振頻率；C為光速；εeff為有效介電常數(shù)；εr表示介質(zhì)基板的相對(duì)介電常數(shù)。

天線設(shè)計(jì)過程如圖3所示，其對(duì)應(yīng)的回波損耗S11曲線如圖4所示。以矩形貼片天線作為基礎(chǔ)開始，天線通過在矩形貼片左側(cè)和共面波導(dǎo)右側(cè)接地板連接不同長(zhǎng)度的條帶，分別在3.50和2.45 GHz附近激發(fā)了兩個(gè)諧振模式。最終天線在滿足WLAN、WiMAX和5G系統(tǒng)的基礎(chǔ)上實(shí)現(xiàn)了三頻帶工作。

圖3 天線設(shè)計(jì)過程

圖4 不同設(shè)計(jì)階段的S11對(duì)比

2 仿真及測(cè)試結(jié)果

2.1 尺寸參數(shù)

為了研究天線諧振與天線參數(shù)之間的關(guān)系。圖5展示了天線在2.4、3.5和5.5 GHz頻率下的模擬電流分布。

圖5 電流分布

可以看出，天線饋線的電流在三個(gè)頻率下都很大，表明天線處于工作狀態(tài)并且有良好的阻抗匹配。從圖5(a)和圖5(b)中可以分別觀察到電流主要分布在天線右側(cè)和左側(cè)條帶。這表明條帶的長(zhǎng)度直接影響天線的諧振頻率。圖5(c)中，電流主要分布在矩形貼片頂部和右側(cè)。根據(jù)上述三個(gè)頻率的電流分布，選擇對(duì)矩形貼片的長(zhǎng)度W3及兩個(gè)條帶的長(zhǎng)度L2、L6進(jìn)行參數(shù)分析，具體分析結(jié)果如圖6-圖8所示。

圖6 不同尺寸的W3的S11對(duì)比圖

圖7 不同尺寸的L2的S11對(duì)比圖

圖8 不同尺寸的L6的S11對(duì)比圖

如圖6所示，矩形貼片的長(zhǎng)度W3對(duì)天線的高頻部分有很大影響。W3增加，高頻帶寬向左移動(dòng)并變寬，而中頻和低頻部分沒有明顯變化。說明5.5 GHz附近的諧振模式主要通過調(diào)節(jié)矩形貼片的長(zhǎng)度實(shí)現(xiàn)。

圖7中，增加左側(cè)條帶的長(zhǎng)度L2對(duì)天線中頻帶產(chǎn)生很大影響，而天線高頻部分受到輕微影響。兩個(gè)頻帶都向低頻方向展寬，而天線的低頻部分幾乎不受影響。圖8中，當(dāng)天線右側(cè)條帶長(zhǎng)度L6發(fā)生變化時(shí)，低頻帶向左移動(dòng)，其他兩個(gè)頻帶受到的影響很小。上述結(jié)果與天線表面電流分布的結(jié)果一致，天線可以通過調(diào)節(jié)W3、L2和L6進(jìn)行優(yōu)化。

2.2 天線測(cè)試結(jié)果

基于上述結(jié)論，對(duì)最終優(yōu)化的天線進(jìn)行實(shí)物制作并測(cè)量。模擬和測(cè)量的S11對(duì)比見圖9?？梢钥闯?，實(shí)測(cè)高頻部分的阻抗匹配優(yōu)于模擬結(jié)果，實(shí)測(cè)的低頻帶寬變寬。天線的三個(gè)工作頻帶的帶寬分別為340 MHz(2.22～2.56 GHz),380 MHz(3.32～3.70 GHz)和2 700 MHz(4.69～7.39 GHz)，滿足WLAN、WiMAX和5G系統(tǒng)的工作要求。

圖9 天線仿真與實(shí)測(cè)S11對(duì)比

圖10展示了天線在2.4、3.5和5.5 GHz下的模擬和實(shí)測(cè)方向圖對(duì)比。由圖可知，天線在H面(XY平面)實(shí)現(xiàn)了全向輻射，并在E面(YZ平面)實(shí)現(xiàn)了雙向輻射。天線在工作頻帶下的模擬和實(shí)測(cè)增益對(duì)比如圖11所示，天線在2.4、3.5和5.5 GHz獲得的增益分別為0.63、2.87和3 dB。

圖10 天線輻射方向圖仿真與實(shí)測(cè)結(jié)果對(duì)比

圖11 天線仿真和實(shí)測(cè)增益對(duì)比圖

3 天線性能對(duì)比

表2對(duì)文獻(xiàn)中的多頻天線和本文提出的天線進(jìn)行對(duì)比。盡管文獻(xiàn)中的天線都表現(xiàn)出了不同的多頻性能，但本文提出的天線有最小的尺寸和更簡(jiǎn)單的幾何形狀。

表2 天線對(duì)比

4 結(jié) 語

本文設(shè)計(jì)了一種應(yīng)用于WLAN、WiMAX和5G系統(tǒng)的緊湊型CPW饋電三頻天線，其尺寸為20 mm×30 mm×1.6 mm，通過在主輻射貼片和共面波導(dǎo)地面上增加額外的輻射條帶，天線可產(chǎn)生三種諧振模式。結(jié)果表明，該天線具有良好的輻射特性和合理的增益，同時(shí)具有體積小、結(jié)構(gòu)簡(jiǎn)單、易于加工的優(yōu)點(diǎn)，并且滿足WLAN(2.4 GHz、5.2 GHz、5.8 GHz)、WiMAX(3.5 GHz,5.5 GHz)和5G通信系統(tǒng)的頻段要求。

圖4 傳輸時(shí)間對(duì)比

可以看出，傳輸時(shí)間與文件大小基本成正比，傳輸速率達(dá)到400 KB/s以上，充分地利用了3G網(wǎng)絡(luò)的帶寬。特別是待傳輸?shù)脑嘉募w積較大時(shí)，借助壓縮和多線程技術(shù)使得文件的傳輸時(shí)間得到了明顯的提高。

該方案通過應(yīng)答機(jī)制、斷點(diǎn)續(xù)傳、CRC校驗(yàn)等技術(shù)解決了之前傳輸速率不高和存在傳輸失敗的問題，既解決了模塊采用UDP通信方式下的不可靠問題，又解決了模塊采用TCP通信方式下效率不高的問題。

4 結(jié) 語

本文在無線通信方式下，設(shè)計(jì)了一種上位機(jī)和下位機(jī)間進(jìn)行可靠文件傳輸?shù)姆椒?。該設(shè)計(jì)可以應(yīng)用于各行業(yè)的前端設(shè)備和后端服務(wù)器間的文件傳輸服務(wù)中。本文在設(shè)計(jì)的過程中參考了TCP通信的一些特點(diǎn)，通過文件分包、斷點(diǎn)續(xù)傳、順序重排和內(nèi)容壓縮保證了文件可靠、有效的傳輸，實(shí)現(xiàn)了在UDP和TCP方式下都適用的文件傳輸機(jī)制。