应用于WLAN／WiMAX的三频单极子天线设计

摘要 设计了一种三频段L型单极子平面天线，通过3个L型单极子天线的组合，使其中一个单极子天线工作于3．5 GHz频段，较长一个单极子工作于2．4 GHz频段，较短一个单极子工作于5．8 GHz频段，该天线与其他三频段平面天线相比，结构更为简单。为数值分析和优化，在HFSS建立了该天线的电磁仿真模型，仿真结果表明，该三频段天线在其3个工作频段内的回波损耗都<-10 dB，实现了2．4 GHz，3．5 GHz和5．8 GHz三频段同时工作。该天线可在WLAN和WiMAX通信系统中得到良好的应用。
关键词 三频段天线；平面单极子；WLAN／WiMAX

    随着现代无线通信技术的迅速发展，无线局域网(Wireless Local Area Networks，WLAN)得到广泛应用。WLAN是利用无线通信技术在空中传输数据、话音和视频信号，使用户可以随时随地地交换信息。全球微波互联接入(Worldwide Interoperability for MicrowaveAccess，WiMAX)是一项新兴的宽带无线接入技术，能提供面向互联网的高速连接，数据传输距离最远可达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)。
    在无线通信领域中，对微带天线的一些如多频段、低成本、小型化和易于加工的实际需要引起了人们的广泛关注。常见的小型化多频天线结构是基于倒F天线的—些变形，这些设计利用倒F天线的小型化和低剖面优势，通过开槽、增加支节等方法实现多频谐振。然而为实现多频工作，引入的结构往往比较复杂。基于此，文中设计了一种可同时工作于WLAN(2．4 GHz与5．8 GHz)和WiMAX(3．5 GHz)3个频段的微带天线。该天线通过3个L型微带结构1／4波长单极子的组合，实现了三频带的工作。天线几何结构简单，介质板采用1．52 mm的Rogers R04003，便于和微波集成电路实现集成化设计。

1 天线的结构设计
    (1)微带贴片天线多频段方法。从实现双频或多频段工作的贴片结构以及基板等物理结构上来分类，实现双频或者多频的基本方式主要有以下几种：1)采用单一贴片，利用几种不同的自然模式来实现双频或者多频工作。2)采用单一贴片，通过加载或者开槽的方法改变贴片各种自然模式的场分布，从而使谐振频率受到干扰，最终实现双频或者多频工作。3)采用单层基板、多个贴片的结构。如采用谐振频率不同的贴片形成多谐振的特性；也可以采用多个辐射单元构成多频点谐振的微带天线等。4)采用多层重叠贴片结构。如利用多层贴片结构形成多个谐振器，从而产生多频段工作特性；采用多层贴片重叠，各自馈电的圆形贴片结构得到具有双频段工作特性的微带天线等。针对上面的微带贴片天线多频段的理论方法，文中采用单层基板、多个贴片的结构使天线多频段工作。
    (2)微带结构1／4波长单极子天线。1／4波长单极子天线是将偶极子天线利用镜像法，引入接地面后得到的，与偶极子天线相比，1／4波长单极子天线因为引入了接地面，电磁波只在接地面上方有辐射功率，从而使辐射功率只有半波偶极子的1／2。然而1／4波长偶极子天线方向性系数与半波偶极子天线均为2．15 dB。可以利用如图1(a)所示的微带线结构实现1／4波长单极子天线，为进一步缩小天线的几何尺寸，还可以将天线折成如图1(b)所示的L形结构。当天线工作于中心频率为2．4 GHz、3．5 GHz和5．8 GHz频段时，这3个中心频率的电磁波在自由空间中对应的1／4波长分别约为31mm、21mm和13 mm；若电磁波在全部填充相对介电常数为3．38的Rogers R04003介质中传播，对应的1／4波长分别约为15 mm、10 mm和3 mm。对于2．4GHz的中心频率，若采用自由空间波长，则1／4波长单极子天线的长度为31mm；若采用介质中的波长，则1／4波长单极子天线的长度为15mm。对于PCB板上的微带单极子天线，波的传播既经过介质又经过自由空间，因此实际波长应该介于
介质的导波波长和自由空间的工作波长，从而得到2．4 GHz工作频段的1／4波长单极子天线的长度应该介于15～31 mm。同理，可得到3．5 Gz工作频率的1／4波长单极子天线的长度介于10～21mm，5．8 GHz工作频率盼1／4波长单极子天线的长度介于3～13 mm。通过调整微带馈线的位置实现其与天线的阻抗匹配。

    (3)三频单极子天线结构设计。按照微带结构1／4波长单极子天线的设计方法，设计了如图2所示结构的三频单极子天线。天线的结构大致分为6个部分：介质层、L型高频(5．8 GHz)单极子天线、L型中频(3．5 GHz)单极子天线、L型低频(2．4 GHz)单极子天线、微带馈线和参考地。介质层的材料使用Rogers R04003，相对介电常数为3．38，介质层的上表面是微带馈线和L型单极子天线，结构如图2所示。通过调
节介质层上表面3个L型结构单极子天线的长度，可以得到所要求的天线谐振频率。其中左侧的L型结构是中频单极子天线，工作于3．5 GHz频段；中间的L型单极子天线是高频单极子天线，工作于5．8 GHz频段；右边的L型单极子天线是低频单极子天线，工作于2.4 GHz频段。介质层下表面是L型单极子天线的参考地，结构如图2(b)所示。根据偶极子天线和单极子天线的原理和高频结构仿真软件HFSS对所设计的天线进行仿真优化，优化后的天线尺寸如表1所示。

    综上，优化后的低频单极子天线长度为
   
    式(1)～式(3)中，优化后单极子天线的实际长度约为1／4波长，2．4 GHz低频单极子天线长度更接近相应的1／4波长；而高频单极子天线实际长度与低频单极子天线长度相比电长度更小。

2 天线特性仿真与结果分折
    天线的回波损耗由图3所示，天线在2．4GHz、3．5 GHz和5．8 GHz时的S11值均低于-10 dB，带宽分别约为108 MHz，138MHz和552MHz。天线能够工作于WLAN2．4／5．8GHz和WiMAX3．5 GHz频段，此频段符合WLAN应用的IEEE802.11b／g频段标准和WiMAX应用的IEEE802.16d频段标准要求。

    为进一步研究三频天线的特性，使用HFSS仿真了该天线在2．4 GHz、3．5 GHz和5．8 GHz时3个L形单极子天线的表面电流，如图4所示。图4(a)中强的电流分布位于辐射体右侧较长的L形单极子天线上，表明该结构是产生低频(2．5 GHz)的谐振器。对于3．5 GHz的工作频率，最强的电流分布存在于图4(b)中辐射体左端L形单极子结构上。由于该单极子天线的谐振特性，该设计可以得到宽频带，满足3．5 GHzWiMAX标准。图4(c)的结果表明第3个谐振模式(5．8 GHz)主要由辐射体中间的L形单极子天线的电流分布决定。

    图5～图7分别对应天线工作于2．4 GHz、3．5GHz和5．8 GHz时在xoz平面与yoz平面的辐射增益方向图。从增益方向图可以看出，该天线在3个频点上的性能与理想单极子天线性能较为相似，除5．8 GHz yoz面外，均类似于全向性。在平面上，天线的辐射方向图更加接近于全向性。

    图8为天线在2.4 GHz、3．5 GHz和5.8GHz频点面内增益方向图，在低频时具有相对较好的全向性，但在高频时表现更多的有向性，这是因为背面的矩形接地板在高频的时候辐射更多的电磁波从而恶化了xoy面的全向性。

    仿真结果同时表明，天线在2．4 GHz、3．5 GHz和5．8 GHz频点下的增益分别为3．351 dB、3．262 dB和5．155 dB，表明天线具有良好的增益。

3 结束语
    设计了一种结构简单的L型单极子三频微带天线，通过3个L型微带结构1／4波长单极子天线的组合，实现了三频带的工作，可工作于WLAN(2．4／5．8 GHz)和WiMAX(3.5GHz)所对应的频段上。同时夭线具有良好的全向辐射特性和增益，适合在移动通信场合使用，天线几何结构简单、易于加工制作、便于和微波集成电路实现集成化设计。