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应用于WLANWiMAX的三频单极子天线设计

发布时间:2020-07-21 18:16:17 阅读: 来源:调料粉碎机厂家

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。

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(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。

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