一种采用非对称共面馈电结构的紧凑型三频平面单极子天线

刘涛 康乐 黄丘林史小卫

摘要：本论文提出了一种采用非对称共面馈电结构的紧凑型三频平面单极子天线，该天线适用于无线局域网（WLAN）和全球微波互联接入（WiMAX）通信系统。通过采用非对称共面馈电结构，该天线的整体尺寸仅为11×25×1.6 mm.天线的三频谐振特性通过在梯形辐射片上加载两个L型缝隙来实现。由仿真和实验结果可得该天线的-10dB阻抗带宽分别是120 MHz(2.39–2.51 GHz),510 MHz(3.22–3.73GHz) 和980 MHz (4.93–5.91GHz), 同时覆盖了2.4/5.2/5.8 GHz WLAN 和3.5/5.5 GHz WiMAX 工作频率。并且在这三个工作频带内天线具有良好的辐射特性。

关键字：非对称共面馈电；三频天线；L型缝隙；WLAN/WiMAX

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COMPACT ACS-FED TRI-BAND MONOPOLE ANTENNA FOR

WLAN/WiMAX APPLICATIONS

Absrtact: A novel and compact asymmetric coplanar strip (ACS)-fed tri-band monopole

antenna is presented for Wireless Local Area Network (WLAN) and Worldwide Interoperability for Microwave Access (WiMAX) applications. Three resonant frequencies can be generated by etching two L-slots on the trapezoid patch of the proposed antenna.The overall size of the antenna is only 11×25×1.6 mm3. The prototype of the designed antenna has been constructed and experimentally verified. The measured -10 dB return loss impedance bandwidths are 120 MHz (2.39–2.51 GHz), 510 MHz (3.22–3.73GHz) and 980 MHz (4.93–5.91GHz), which can cover both 2.4/5.2/5.8 GHz WLAN and 3.5/5.5 GHz WiMAX bands. Moreover, good monopole-like radiation characteristics can be obtained over the three operating bands.

Keywords:ACS-fed; tri-band antenna; L-slot; WLAN/WiMAX

1 引言

随着现代无线通信技术的飞速发展，特别是无线局域网(WLAN)和全球微波互联接入网络(WiMAX)的广泛应用，要求能够提供更多结构简单，多频段工作的小型化天线。为了满足这些需求，各种不同类型的天线在[1-3]中提出，通过采用不同的辐射片和缝隙等结构，这些天线能够实现多频谐振特性。然而，一些天线要么尺寸大，要么结构复杂，同时天线不能同时满足需要的频段。为了减少天线的尺寸，一种新型的馈电结构—非对称共面波导馈电被提出。本文提出了一种非对称共面馈电结构天线，该天线是一个紧凑的三频平面单极子天线，满足2.4/5.2/5.8 GHz WLAN 和 3.5/5.5 GHz WiMAX 频段应用。由于该非对称共面馈电结构只采用单个侧边地平面，与传统的共面波导馈电相比

减少了共面波导馈电结构近一半尺寸。该天线采用梯形贴片，在贴片上开两个L型缝隙，实现了三个不同的谐振频率。该天线结构简单，尺寸小。通过测试结果和仿真结果的比较，验证了我们设计的可行性。

2 天线结构和设计

天线的结构标注如图1所示，该天线由1.6mm厚的FR4作为介质，其相对介电常数为4.4，损耗角正切为0.02.通过50欧姆的非对称共面线馈电，馈线宽为3.5mm，距离侧边地平面0.5mm。在梯形贴片上开两个L型缝隙，分别为缝隙Slot1和缝隙Slot2，缝宽为1mm，通过在梯形辐射片上同时加载两个缝隙，该天线实现了三频谐振特性。通过使用Ansoft高频结构仿真软件，天线参数通过仿真优化得到。优化的天线参数尺寸如

下：L = 25mm, L1 =13mm, L2 = 5mm, L3 = 3.5mm, L4 = 16.5mm, Lg = 3.5mm, W = 11mm, Wf = 3.5mm, Wg = 7mm, S1 = 8.5mm, S2 = 10mm, S3 = 3mm, S4 = 8mm, G1 = 1mm, G2 = 1mm.

图 1 天线的几何结构和实物图.

3 实验结果与分析

在这一部分，对该天线进行了一系列的仿真参数分析和实验结果验证。

图2显示了天线在不同结构的情况下仿真的回波损耗曲线。发现具有梯形的非对称共面馈电结构的单极子天线能激励3.4GHz6.5GHz频段两个谐振模式。首先，通过在贴片上加载L型缝隙Slot1,在2.45GHz频点产生了一个新的谐振点，类似地，在贴片上加载L型缝隙Slot2，能够激励更高的谐振频率，以覆盖５GHz的 WLAN/WiMAX频段。最后在该贴片上同时加载Slot1和Slot２，能够同时产生两个额外的谐振频点，分别位于２.４５和５.２ＧＨｚ，实现了三个不同的谐振频点。通过天线参数的优化，调整三个谐振频率段，该频率段覆盖了 2.4/5.2/5.8GHz WLAN和3.5/5.5GHz WiMAX频段。

图2 采用不同辐射结构的天线仿真回波损耗曲线

图3显示了该天线在三个不同频点仿真的表面电流分布。在2.45GHz低频段，天线电流主要集中在贴片右边L型辐射单元上，在3.5GHz频段，天线电流主要分布在贴片L型辐射单元的中间，而在5.5GHz高频段,天线电流主要沿贴片左边辐射单元分布。

图3 天线在(a)2.45GHz,(b)3.5GHz和

(c)5.5GHz的电流分布

图4和图5说明S2和S4取不同的值时，天线的回波损耗曲线变化情况。从图4中得知，随着S4数值的增加，低频和中频谐振频点向更低频移动，但高频谐振频点变化很少。主要原因是随着S2数值的增加，从图3中显示低频和中频谐振频率的电流路径变长了。同理，在图5中可以发现随着S4的数值从7.5mm到8.5mm增加低频谐振频点几乎没有变化，然而中频和高频谐振频点向更低的频带移动。通过分析，选择S2 = 10 mm and S4 = 8mm，该天线能够覆盖 2.4/5.2/5.8 GHz WLAN和3.5/5.5 GHz WiMAX频段。

图 4S2变化时天线的回波损耗曲线

图 5S4变化时天线的回波损耗曲线

图6显示该天线测量与仿真的回波损耗。该天线已加工，通过安捷伦N5230矢量网络分析仪测试后，测量与仿真的回波损耗几乎保值一致。测量的-10dB阻抗带宽为120MHz（2.39–2.51 GHz，510 MHz (3.22–3.73 GHz)和980 MHz (4.93–5.91GHz)。结果表明本文提到的天线能够覆盖 2.4/5.2/5.8 GHz WLAN和3.5/5.5 GHz WiMAX 工作频段。

图 6 天线回波损耗的仿真和实测值对比曲

线

图7给出了天线在2.45GHz, 3.5GHz和5.5 GHz时的天线的仿真和实测的方向图。可以看出，天线在整个三频带内具有在H面

全向和在E面“8”字形辐射特性。

图7天线在2.45GHz, 3.5GHz和5.5GHz 测

量的方向图 4 结论

本文设计、仿真并验证了一种采用非对称共面馈电结构的三频平面单极子天线。该天线具有结构尺寸小，成本低，易集成等特点，另外，实测结果表明，该天线覆盖了WLAN/WiMAX频段，且辐射方向图满足全向性要求。该天线可以应用于WLAN/WiMAX无线通信系统。

参考文献

1. R.K. Badhai and N. Gupta, Compact dual

sin-shaped monopole antenna for dual band wireless

applications,

Microwave

Opt

TechnolLett 55 (2013), 2883–2888.

2. Y.S. Li, W.X. Li and Q.B. Ye, A compact

asymmetric coplanar strip-fed dual-band antenna for 2.4/5.8GHz WLAN applications, Microwave Opt TechnolLett 55 (2013), 2066–2070.

3. Y.S. Li, W.X. Li and R. Mittra, A compact ACS-fed

dual-band meandered monopole antenna for WLAN and WiMAX applictions, Microwave Opt Technol Lett 55 (2013), 2370–2373.