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        應(yīng)用于WLAN/WiMAX的小型化三頻單極子天線設(shè)計(jì)

        2021-11-17 08:16:06張克生
        江蘇通信 2021年5期
        關(guān)鍵詞:設(shè)計(jì)

        張克生

        江蘇安全技術(shù)職業(yè)學(xué)院

        0 引言

        近年來,隨著無線通信技術(shù)的廣泛應(yīng)用,小型化、多頻帶天線因其節(jié)省系統(tǒng)空間、減少天線數(shù)量而受到越來越多的關(guān)注。對(duì)于一個(gè)無線系統(tǒng)而言,在需要兩個(gè)或多個(gè)頻帶的情況下訪問多個(gè)業(yè)務(wù)是有利的。無線局域網(wǎng)(Wireless Local Area Network,WLAN)和全球微波接入互操作(Worldwide Interoperability for Microwave Access,WiMAX)技術(shù)廣泛應(yīng)用于無線通信設(shè)備,通常需要雙頻或多頻天線,以適應(yīng)這些設(shè)備的多種需求。為了滿足IEEE 802.11標(biāo)準(zhǔn)中WLAN 2.5/5.2/5.8 GHz和WiMAX 2.6/3.5/5.5 GHz頻段的帶寬要求,該多頻段平面天線同時(shí)具有低輪廓和重量、低成本、體積小、易于與其他電路集成和更高的性能,當(dāng)然需要覆蓋所有這些工作波段的不同標(biāo)準(zhǔn)。

        當(dāng)前已有一些小型化和多頻天線的實(shí)現(xiàn)方法。在減小天線尺寸方面,使用彎曲技術(shù)和負(fù)載電容器或電感。多頻帶天線設(shè)計(jì)也有不同的實(shí)現(xiàn)方式,如蝕刻各種槽,增加多個(gè)諧振臂,采用特殊饋電技術(shù)。Ali等人介紹了一種用于WLAN應(yīng)用的小型化雙頻平面印刷天線。通過在矩形輻射貼片上蝕刻一個(gè)方形槽來實(shí)現(xiàn)天線的小型化,通過加載兩個(gè)對(duì)稱的l形槽和一對(duì)窄縫來獲得天線的雙頻特性。Qian等人報(bào)道了3種應(yīng)用于無線通信的多工作頻段微帶縫隙天線。通過加載具有多個(gè)諧振頻率的不同諧振器,天線獲得了不同的多次諧振。通過使用縫隙單極子和復(fù)合的右手/左手傳輸結(jié)構(gòu),提出了一種用于GPS/WLAN/WiMAX應(yīng)用的非對(duì)稱共面波導(dǎo)饋電的四波段天線。El-Kham等人設(shè)計(jì)了一種采用分形樹結(jié)構(gòu)的多頻帶平面天線。天線的仿真結(jié)果表明,通過改變樹形結(jié)構(gòu)的數(shù)量可以調(diào)節(jié)諧振頻率的數(shù)量。

        雖然在小型化和多頻段方面已經(jīng)取得了一些進(jìn)展,一些天線仍然受到復(fù)雜結(jié)構(gòu)的影響,一些天線輻射模式或增益不夠穩(wěn)定的。因此,需要一種結(jié)構(gòu)簡(jiǎn)單、輻射特性良好的小型化多頻帶天線,覆蓋所需的WLAN和WiMAX頻段。本文在平面單極子天線工作原理基礎(chǔ)上,采用S型、U型和L型彎曲枝節(jié)分別實(shí)現(xiàn)2.5 GHz,3.5 GHz和5.5 GHz三個(gè)頻段的諧振,從而實(shí)現(xiàn)了小型化、三頻段單極子天線設(shè)計(jì)。仿真結(jié)果表明,所設(shè)計(jì)天線在該三個(gè)頻段具有良好的全向輻射特性,可應(yīng)用于WLAN/WiMAX移動(dòng)終端系統(tǒng)中。

        1 天線結(jié)構(gòu)與設(shè)計(jì)

        天線結(jié)構(gòu)如圖1所示,印制在相對(duì)介電常數(shù)為4.4、厚度為0.8 mm的FR4基板上,三個(gè)枝節(jié)分別工作與三個(gè)不同頻段。利用單極子天線工作原理,計(jì)算出各個(gè)頻段對(duì)應(yīng)的枝節(jié)初始長(zhǎng)度。為了縮小天線尺寸,實(shí)現(xiàn)小型化,低頻2.5 GHz頻段采用S型彎曲枝節(jié),中頻3.5 GHz頻段采用倒U型彎曲枝節(jié),而高頻5.5 GHz則使用常規(guī)的L型枝節(jié)。

        圖1 天線結(jié)構(gòu)

        天線的設(shè)計(jì)過程如圖2所示,對(duì)每個(gè)頻段對(duì)應(yīng)的枝節(jié)進(jìn)行單獨(dú)仿真分析,得到單頻單極子天線的回波損耗如圖3所示。由圖3可以看出,天線1工作于2.5 GHz頻段,同時(shí)在7 GHz處產(chǎn)生諧振;天線2和天線3則分別工作與3.5 GHz和5.5 GHz頻段。不足之處在于低頻和中頻段的工作帶寬有待擴(kuò)展。

        圖2 天線設(shè)計(jì)過程

        圖3 三個(gè)單頻天線的回波損耗

        2 仿真結(jié)果分析

        通過將三個(gè)單頻單極子天線的枝節(jié)連接在一起,從而實(shí)現(xiàn)了三頻單極子天線設(shè)計(jì),天線結(jié)構(gòu)如圖1所示。為了驗(yàn)證該天線的工作原理,仿真分析了2.5 GHz,3.5 GHz和5.5 GHz的諧振頻率處輻射枝節(jié)上的面電流分布,其結(jié)果如圖4所示。由圖4(a)可以看出,天線工作于2.5 GHz時(shí),表面電流分布在S型枝節(jié)上;圖4(b)則顯示倒U型枝節(jié)產(chǎn)生了3.5 GHz的諧振頻率;圖4(c)則表明5.5 GHz頻帶諧振于L型枝節(jié)。不同工作頻率下面電流分布特征與設(shè)計(jì)思路十分吻合。

        圖4 不同頻率時(shí)輻射枝節(jié)上的面電流分布

        在以上分析設(shè)計(jì)和參數(shù)掃描基礎(chǔ)上,實(shí)現(xiàn)了小型化三頻單極子天線設(shè)計(jì),其結(jié)構(gòu)參數(shù)分別為:V=40 mm;L=14 mm;L1=4.25 mm;L2=7 mm;T1=8 mm;T2=5 mm;T3=7 mm;R1=16.25 mm;R2=2 mm;R3=6 mm;S=11 mm。天線的回波損耗如圖5所示。由圖可以看出,天線回波損耗在-10 dB以下頻率部分分別為2.46~2.62 GHz,3.38~3.70 GHz,5.16~5.89 GHz。天線在2.5 GHz、3.5 GHz、5.5 GHz中心頻段的帶寬足夠?qū)挘軡M足WLAN/WiMAX系統(tǒng)中移動(dòng)終端的天線帶寬要求。

        圖5 所設(shè)計(jì)天線的回波損耗

        所設(shè)計(jì)天線在2.5 GHz,3.5 GHz和5.5 GHz頻率處的遠(yuǎn)場(chǎng)輻射方向圖如圖6所示,由圖可知,頻率為2.5 GHz時(shí),天線的輻射方向圖在E面近似圓形,而在H面為啞鈴狀;頻率為3.5 GHz和5.5 GHz時(shí),天線的輻射方向圖在H面接近圓形,在E面為啞鈴狀,均表現(xiàn)出良好的全向輻射特性,能較好地滿足移動(dòng)終端天線的通信需求。

        圖6 天線的輻射方向

        3 結(jié)束語

        在單極子天線工作原理基礎(chǔ)上,利用S型、U型和L型彎曲枝節(jié)分別諧振于2.5 GHz,3.5 GHz和5.5 GHz三個(gè)頻段,實(shí)現(xiàn)小型化。仿真研究了不同頻率處輻射枝節(jié)上的面電流分布,其分布特征與設(shè)計(jì)思路非常吻合。仿真分析了天線的工作頻帶和遠(yuǎn)場(chǎng)輻射方向圖,結(jié)果表明,所設(shè)計(jì)天線能較好地諧振于2.5 GHz,3.5 GHz,5.5 GHz三個(gè)頻段,且均能形成全向輻射特性,符合WLAN和WiMAX系統(tǒng)中天線的帶寬和方向圖覆蓋要求,且具有結(jié)構(gòu)簡(jiǎn)單的特點(diǎn),可應(yīng)用于移動(dòng)終端系統(tǒng)中。

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