WLAN和WiMAX的雙頻組合天線的寬頻帶小型化設(shè)計

1 引言
　　隨著無線通信技術(shù)的迅速發(fā)展，低成本、小型化、易制作的多頻天線已經(jīng)成為了現(xiàn)代無線通信系統(tǒng)中的重要的組成部分，并引起了人們的廣泛關(guān)注。中提出的四種雙頻組合天線的帶寬較窄，且尺寸較大；文獻(xiàn)［5-6］研究了多頻縫隙天線的設(shè)計，通過縫隙極子天線和微帶線的不同組合來實(shí)現(xiàn)多頻特性，但這類天線的尺寸同樣比較大，且高頻方向圖的全向性不好；微帶天線通過縫隙加載技術(shù)也能實(shí)現(xiàn)多頻天線的設(shè)計［7-8］，但需要短路針與地板相連接，使得天線結(jié)構(gòu)復(fù)雜，加工困難。
　　中提出了一種終端開路的矩形環(huán)極子雙頻天線，但該天線的高頻帶寬太窄，不能覆蓋WLAN 5.8GHz工作頻段，而且高頻段的方向圖有所失真；為了增加天線的帶寬，文獻(xiàn)［10］提出了一終端加載的矩形環(huán)極子雙頻天線，通過在環(huán)終端加載一微帶線實(shí)現(xiàn)高頻段寬頻化設(shè)計，但該天線不能工作WiMAX3.5GHz 頻段。
　　為了進(jìn)一步增加天線的帶寬，使天線能工作在WLAN 2.4/5.2/5.8GHz和WiMAX 2.5/3.5/5.5 GHz的全部頻段，同時又能實(shí)現(xiàn)天線的小型化設(shè)計，本文提出了一種矩形環(huán)極子和I形極子組合的雙頻天線結(jié)構(gòu)。該天線由I形極子和環(huán)形極子輻射產(chǎn)生高低頻段，并實(shí)現(xiàn)雙頻寬頻帶特性。該天線不僅能應(yīng)用在WLAN通信終端設(shè)備，還能工作在WiMAX終端設(shè)備，與文獻(xiàn)［1-10］中的天線相比較，具有明顯的優(yōu)勢。
　　2 天線設(shè)計
　　天線的結(jié)構(gòu)示意圖如圖1所示。該天線由一環(huán)形極子和I形極子組合而成，印制在一塊厚度為1.6mm、相對介電常數(shù)為4.4 的FR4印刷電路基板上。矩形環(huán)的尺寸為W1×L1、厚度為W3，I形極子的長度為S+S1+L2、寬度為W2，I形極子和環(huán)形極子的長度分別約為高低諧振頻率對應(yīng)的1/4波長。該雙頻天線由共面波導(dǎo)饋電，50om微帶饋線的寬度為Wf ，與地板之間的縫隙為g，兩矩形地板的長為L、寬為W，并分布在饋線的兩邊。
　　
　　圖1 天線結(jié)構(gòu)圖
　　
　　圖2 各天線的回波損耗（天線的尺寸為：L =16 mm， W=14 mm， Wf =2.5 mm， g=1 mm， S= 4 mm， S1=2.1 mm， L1 =19 mm， L2 =7.5 mm， W1 =11.5 mm， W2 =4.5 mm， W3 =2 mm， g1=1.5 mm）
　　在天線的設(shè)計過程中，首先應(yīng)用仿真軟件HFSS對天線進(jìn)行初始化設(shè)計，先調(diào)整環(huán)形極子天線的參數(shù)使其工作在低頻段，再在環(huán)形極子內(nèi)嵌入I形極子天線，調(diào)增相應(yīng)的設(shè)計參數(shù)，產(chǎn)生雙頻寬頻特性。天線的設(shè)計參數(shù)和仿真的回波損耗由圖2所示，從圖2中可以看出，環(huán)形極子產(chǎn)生低頻頻段，I形極子產(chǎn)生高頻頻段；環(huán)形極子的長度S+L1為諧振頻率2.9 GHz對應(yīng)波長的0.18倍，而I形極子的長度為諧振頻率5.2GHz對應(yīng)波長的0.24倍。