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應用于WLAN/WiMAX的三頻單極子天線設計[圖]

時間: 2014-09-03 17:49 來源: 電子設計工程

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隨著現代技術的迅速發展,無線(Wireless Local Area Networks,)得到廣泛應用。WLAN是利用無線通信技術在空中傳輸數據、話音和視頻信號,使用戶可以隨時隨地地交換信息。全球微波互聯接入(Worldwide Interoperability for MicrowaveAccess,)是一項新興的技術,能提供面向的高速連接,數據傳輸距離最遠可達50 km。目前的WLAN主要工作在2.45 GHz(2.4~2.484 GHz)、5.2 GHz(5.15~5.35 GHz)和5.8 GHz(5.725~5.825 GHz),而WiMAX工作在2.5 GHz(2.5~2.69 GHz)、3.5 GHz(3.4~3.69 GHz)和5.5 GHz(5.25~5.85 GHz)。

在無線通信領域中,對微帶的一些如多頻段、低成本、小型化和易于加工的實際需要引起了人們的廣泛關注。常見的小型化多頻天線結構是基于倒F天線的—些變形,這些設計利用倒F天線的小型化和低剖面優勢,通過開槽、增加支節等方法實現多頻諧振。然而為實現多頻工作,引入的結構往往比較復雜。基于此,文中設計了一種可同時工作于WLAN(2.4 GHz與5.8 GHz)和WiMAX(3.5 GHz)3個頻段的微帶天線。該天線通過3個L型微帶結構1/4波長單極子的組合,實現了三頻帶的工作。天線幾何結構簡單,介質板采用1.52 mm的Rogers R04003,便于和微波集成電路實現集成化設計。

1 天線的結構設計

(1)微帶貼片天線多頻段方法。從實現雙頻或多頻段工作的貼片結構以及基板等物理結構上來分類,實現雙頻或者多頻的基本方式主要有以下幾種:1)采用單一貼片,利用幾種不同的自然模式來實現雙頻或者多頻工作。2)采用單一貼片,通過加載或者開槽的方法改變貼片各種自然模式的場分布,從而使諧振頻率受到干擾,最終實現雙頻或者多頻工作。3)采用單層基板、多個貼片的結構。如采用諧振頻率不同的貼片形成多諧振的特性;也可以采用多個輻射單元構成多頻點諧振的微帶天線等。4)采用多層重疊貼片結構。如利用多層貼片結構形成多個諧振器,從而產生多頻段工作特性;采用多層貼片重疊,各自饋電的圓形貼片結構得到具有雙頻段工作特性的微帶天線等。針對上面的微帶貼片天線多頻段的理論方法,文中采用單層基板、多個貼片的結構使天線多頻段工作。

(2)微帶結構1/4波長單極子天線。1/4波長單極子天線是將偶極子天線利用鏡像法,引入接地面后得到的,與偶極子天線相比,1/4波長單極子天線因為引入了接地面,電磁波只在接地面上方有輻射功率,從而使輻射功率只有半波偶極子的1/2。然而1/4波長偶極子天線方向性系數與半波偶極子天線均為2.15 dB。可以利用如圖1(a)所示的微帶線結構實現1/4波長單極子天線,為進一步縮小天線的幾何尺寸,還可以將天線折成如圖1(b)所示的L形結構。當天線工作于中心頻率為2.4 GHz、3.5 GHz和5.8 GHz頻段時,這3個中心頻率的電磁波在自由空間中對應的1/4波長分別約為31mm、21mm和13 mm;若電磁波在全部填充相對介電常數為3.38的Rogers R04003介質中傳播,對應的1/4波長分別約為15 mm、10 mm和3 mm。對于2.4GHz的中心頻率,若采用自由空間波長,則1/4波長單極子天線的長度為31mm;若采用介質中的波長,則1/4波長單極子天線的長度為15mm。對于PCB板上的微帶單極子天線,波的傳播既經過介質又經過自由空間,因此實際波長應該介于介質的導波波長和自由空間的工作波長,從而得到2.4 GHz工作頻段的1/4波長單極子天線的長度應該介于15~31 mm。同理,可得到3.5 Gz工作頻率的1/4波長單極子天線的長度介于10~21mm,5.8 GHz工作頻率盼1/4波長單極子天線的長度介于3~13 mm。通過調整微帶饋線的位置實現其與天線的阻抗匹配。

應用于WLAN/WiMAX的三頻單極子天線設計[圖]

(3)三頻單極子天線結構設計。按照微帶結構1/4波長單極子天線的設計方法,設計了如圖2所示結構的三頻單極子天線。天線的結構大致分為6個部分:介質層、L型高頻(5.8 GHz)單極子天線、L型中頻(3.5 GHz)單極子天線、L型低頻(2.4 GHz)單極子天線、微帶饋線和參考地。介質層的材料使用Rogers R04003,相對介電常數為3.38,介質層的上表面是微帶饋線和L型單極子天線,結構如圖2所示。通過調節介質層上表面3個L型結構單極子天線的長度,可以得到所要求的天線諧振頻率。其中左側的L型結構是中頻單極子天線,工作于3.5 GHz頻段;中間的L型單極子天線是高頻單極子天線,工作于5.8 GHz頻段;右邊的L型單極子天線是低頻單極子天線,工作于2.4 GHz頻段。介質層下表面是L型單極子天線的參考地,結構如圖2(b)所示。根據偶極子天線和單極子天線的原理和高頻結構仿真軟件HFSS對所設計的天線進行仿真優化,優化后的天線尺寸如表1所示。

應用于WLAN/WiMAX的三頻單極子天線設計[圖]

綜上,優化后的低頻單極子天線長度為  

應用于WLAN/WiMAX的三頻單極子天線設計[圖]

式(1)~式(3)中,優化后單極子天線的實際長度約為1/4波長,2.4 GHz低頻單極子天線長度更接近相應的1/4波長;而高頻單極子天線實際長度與低頻單極子天線長度相比電長度更小。

2 天線特性仿真與結果分折

天線的回波損耗由圖3所示,天線在2.4GHz、3.5 GHz和5.8 GHz時的S11值均低于-10 dB,帶寬分別約為108 MHz,138MHz和552MHz。天線能夠工作于WLAN2.4/5.8GHz和WiMAX3.5 GHz頻段,此頻段符合WLAN應用的IEEE802.11b/g頻段標準和WiMAX應用的IEEE802.16d頻段標準要求。

應用于WLAN/WiMAX的三頻單極子天線設計[圖]

為進一步研究三頻天線的特性,使用HFSS仿真了該天線在2.4 GHz、3.5 GHz和5.8 GHz時3個L形單極子天線的表面電流,如圖4所示。圖4(a)中強的電流分布位于輻射體右側較長的L形單極子天線上,表明該結構是產生低頻(2.5 GHz)的諧振器。對于3.5 GHz的工作頻率,最強的電流分布存在于圖4(b)中輻射體左端L形單極子結構上。由于該單極子天線的諧振特性,該設計可以得到寬頻帶,滿足3.5 GHzWiMAX標準。圖4(c)的結果表明第3個諧振模式(5.8 GHz)主要由輻射體中間的L形單極子天線的電流分布決定。

應用于WLAN/WiMAX的三頻單極子天線設計[圖]

圖5~圖7分別對應天線工作于2.4 GHz、3.5GHz和5.8 GHz時在xoz平面與yoz平面的輻射增益方向圖。從增益方向圖可以看出,該天線在3個頻點上的性能與理想單極子天線性能較為相似,除5.8 GHz yoz面外,均類似于全向性。在平面上,天線的輻射方向圖更加接近于全向性。

應用于WLAN/WiMAX的三頻單極子天線設計[圖]

應用于WLAN/WiMAX的三頻單極子天線設計[圖]

圖8為天線在2.4 GHz、3.5 GHz和5.8GHz頻點面內增益方向圖,在低頻時具有相對較好的全向性,但在高頻時表現更多的有向性,這是因為背面的矩形接地板在高頻的時候輻射更多的電磁波從而惡化了xoy面的全向性。

應用于WLAN/WiMAX的三頻單極子天線設計[圖]

仿真結果同時表明,天線在2.4 GHz、3.5 GHz和5.8 GHz頻點下的增益分別為3.351 dB、3.262 dB和5.155 dB,表明天線具有良好的增益。

3 結束語

設計了一種結構簡單的L型單極子三頻微帶天線,通過3個L型微帶結構1/4波長單極子天線的組合,實現了三頻帶的工作,可工作于WLAN(2.4/5.8 GHz)和WiMAX(3.5GHz)所對應的頻段上。同時夭線具有良好的全向輻射特性和增益,適合在場合使用,天線幾何結構簡單、易于加工制作、便于和微波集成電路實現集成化設計。

(責任編輯:6g下載網)
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