一种小型化双频天线的设计与分析

     近年来，随着无线通信技术的飞速发展，低成本、小型化、宽频带的多频天线已经成为现代无线覆盖了2. 4~ 2. 485/ 5. 15~ 5. 35/ 5. 725~ 5. 825 GHz。

　　微带天线由于重量轻、低剖面、体积小等优点，使得其受到了广泛的关注。特别是无线局域网(WLAN)的应用，更加要求能够提供多频带工作的宽带小型化天线，WLAN 在现有的微波通信系统中得到了广泛的应用。近年来，国内外对WLAN 天线进行了广泛的研究。

　　文献[ 5] 提出了一种应用于5~ 6 GHz 无线通信的宽频带E 形微带天线，但是仅仅工作在单一频带，不能满足WLAN 的双频段覆盖。

　　在文献[ 5] 的基础上，介绍一种E 形微带贴片天线和一个微带偶极子组合成的双频带微带天线。该天线采用缝隙耦合和电波引导的方式直接产生2 个带宽。它能很好地满足WLAN 和HIPERLNA( 5. 15~ 5. 35 GHz 和5. 47~ 5. 825 GHz) 的双频带通信需求，同时满足IEEE 802. 11 a/ b/ g 的通信需求，且结构简单、易于设计和制造。天线的辐射部分主要有E 形微带贴片和微带偶极子组成。利用电磁仿真软件CST 对设计天线的谐振特性和方向图特性进行了研究，仿真结果表明，该天线能满足WLAN 的双频通信需求，且增益比同类天线有所提高。

　　1   天线的结构和设计

　　天线的基本结构如图1 所示，整个天线制作在40 ×40 mm2 的泡沫塑料( 介电常数是1. 07，与空气的介电常数接近) 板上，介质板的高度为5 mm，E 形微带贴片和微带偶极子贴片的厚度均采用0. 2 mm的铜皮，接地板采用0. 2 mm 的铜皮，以确保天线有足够的支撑强度。

图1  天线的基本结构

　　从图1 可以看出，天线的基本结构由E 形微带贴片和微带偶极子组成。E 形微带贴片的两个端臂等长，中间为同轴馈电端口。电波通过馈电端口均匀地分布在E 形微带贴片和偶极子上，使得贴片产生两个谐振频率。耦合缝隙t、宽度W2、W1 和W 决定偶极子的辐射，产生低频段的谐振频率。E 形微带天线产生天线的高频段的谐振频率，偶极子微带天线谐振在低频段，2 个辐射源共用一个同轴馈电。

　　图2 给出了所设计天线的电流分布。从图2( a)可以看出，电波通过嵌入E 形微带贴片的连接传输线引导和缝隙t 的耦合作用，在偶极子上产生了很强的辐射，使得微带偶极子的带宽增加，从而满足IEEE 802. 11b/ g 的通信需求。从图2( b) 可以看出,电流均匀地分布在E 形微带贴片的两臂上，增加了电流的分布长度，使得E 性天线有很大的带宽，可以满足5. 1~ 5. 825 GHz 无线通信的需求。

图2  天线的电流分布

　　2   仿真结果与分析

　　根据以上的分析，采用E 形微带贴片天线和微带偶极子组合的结构，对工作在2. 4~ 2. 483 GHz和5. 1~ 5. 825 GHz的WLAN 天线进行设计、仿真和优化。

　　采用电磁仿真软件CST 进行建模仿真，考虑到仿真与实际工程的一致性，在建模的时候把辐射片与接地板之间的介质板的介电常数直接设置为1 07。仿真得到的两个谐振点的频率为2 44 GHz和5 46 GHz。仿真结果如表1 所示。

　　从表1 中可以看出，天线在2 个谐振点有较高的辐射效率和增益。由于W1 和W2 是偶极子天线的宽度和偶极子天线的馈电传输线宽度，t 为E 形微带贴片与偶极子微带贴片之间的耦合缝隙，因此对W1、W2 和t 进行优化，不同宽度情况下的回波损耗曲线如图3~ 图5 所示。从图3 上可以看出，当调整W1 时，天线的低频段将随着W1 的增大，天线的频率有所升高。从图4 上可以看出，当调整W2 时,偶极子天线与E 形微带贴片之间的耦合电容和馈电传输线的阻抗发生了变化，使得天线的谐振点发生偏移，当在W1= 6. 5 mm，W2= 1. 9 mm 时，天线的谐振阻抗带宽最大，天线的谐振频率为2. 44 GHz 和5. 46 GHz，带宽分别为83MHz 和812MHz。

表1  天线方向参数的仿真结果

　　从图5 上可以看出，E 形微带贴片与微带偶极子天线之间的缝隙t 在间距大于1. 5mm 时，对天线的工作带宽影响较小。利用电磁仿真软件CST 优化后天线的结构参数为: L1 = 25. 5 mm; L 2 =6. 8 mm; L3= 8 mm; W= 32 mm; W1= 6. 5 mm; W2=1. 9 mm; W3 = 4 mm; W4 = 8mm; t = 2. 5 mm; t 1 =1. 8 mm; t 2= 3. 6 mm; S = 4 mm。从图4 还可以看出,天线的高频段基本上是独立的，受嵌入的馈电传输线的影响不大，因此该双频天线可以分别独立设计。

图3   W1 对天线的参数的影响

图4   W2 对天线的参数的影响

图5   t 对天线参数的影响

　　2 个谐振点的辐射方向图如图6 所示。由于该天线有很好的对称特性，因此方向图呈现较好的全向特性。总的来说在2 个谐振带宽内，2 个谐振点有相似的辐射特性，实现了双频带工作。从仿真的结果可以看出，所设计的天线在谐振带宽内有很好的匹配，并且高低频段可以控制，可以实现各频段独立设计，给工程实践提供很好的参考。提出的宽频带小型化双频带天线与以前提出的相似类型的天线相比，采用E 形微带贴片天线和微带偶极子天线组合的方式，易于实现。同时在阻抗带宽和效率上有一定提高，主要是采用嵌入式传输线和耦合馈电微带偶极子天线和宽带E 形微带贴片单元，使得微带偶极子天线的效率和增益有所提高。

图6  天线的辐射方向图

　　3   结束语

　　通过E 形微带贴片天线与微带偶极子天线组合的方法，给出了一种新型的双频平面宽频带天线的结构和设计方法。这种天线轮廓小，馈电简单，加工容易且成本低。其最大的优点就是2 个频段可以单独设计，且调节方便，通过改变对应的尺寸，2 个谐振频率可以较为独立地调节，这为天线的设计带来了很大的方便。