用于WLAN的多频印刷单极子天线

用于WLAN的多频印刷单极子天线凡守涛尹应增王耀召李勤毅（西安电子科技大学天线与微波技术国家重点实验室，西安710071）摘要：本文了设计了一种应用于无线局域网通信的多频印刷单极子天线。天线采用微带线馈电，辐射体部分为双层倒置的等腰梯形。等腰梯形这种渐变式的片状结构可以有效的增加天线带宽，仿真和实测结果表明天线的频带范围为2.2-2.75GHz和4.75-6.75GHz。这样，天线不仅可以工作于IEEE802.11规定的2.45G（2.4-2.484GHz）、5.2G（5.15-5.35GHz）或5.8G（5.725-5.825GHz）的无线局域网通信频段范围，而且可以应用在中心频率为2.45G或5.8G的射频识别（RFID）通信领域中。另外，天线在各工作频点处具有良好的方向性。关键字：印刷单极子，多频天线，无线局域网，射频识别Multi-BandPrintedMonopoleAntennaforWLANApplicationsFanShoutaoYinYingzengWangYaozhaoLiQinyi（NationalKeyLaboratoryofAntennasandMicrowaveTechnology,XidianUniversity,Xi’an710071）Abstract:Inthispaper,anewandsimplemultibandprintedmonopoleantennaforwirelesslocalareanetwork（WLAN）applicationsisdemonstrated.Theantennaiscomposedofadoubleinversetrapeziumelementanda50ohmmicrostripfeeder.Theprototypeofdoubleinversetrapeziumcanenhancetheoperationbandwidthwhichcovers2.45,5.2,and5.8GHzWLANbands.NotonlytheantennasuitableforWLANapplicationsbutalsoforRadiofrequencyidentification(RFID)systems.Inaddition,goodomnidirectionalradiationpatternshavebeenobtained.Keywords:PrintedMonopole,Multibandantenna,WLAN,RFID1引言随着室内高速无线数据接入技术的发展，无线局域网（WLAN）通信技术引起了无线通信领域的极大关注。与此同时，覆盖WLAN通信频段2.45G/5.2G/5.8G的多频天线的设计成为了天线领域研究的热点。科技进步也对天线设计提出了新的要求，如低剖面、低损耗、多频工作以及易于集成等。在各种各样的天线形式中，印刷单极子天线以其体积小、成本低、结构简单、易于加工和易于实现多频工作等特点在无线通信领中得到了广泛的应用[1,2,34,5]。印刷单极子天线，通过构造不同谐振长度的辐射体，易于实现双频或多频工作。无论是文献[1]中的“L”形天线，文献[2]中的“双T”形天线，文献[3]中的“G”形天线还是文献[4]给出的“P”形天线等皆是如此。但是，这些天线仅能实现双频工作。本文将在双频天线的基础上，通过展宽带宽的方法，使原有的双频天线实现三频工作，来满足当前WLAN三频工作的要求。2天线设计与分析Antenna1的结构如图1所示，天线由微带馈线和覆在介质板表面的矩形辐射贴片两部分组成。介质材料选用FR-4，相对介电常数为4.4，厚度为1.6mm，介质基板长为42mm，宽为30mm。微带线馈线长14.6mm，宽2.91mm；主辐射贴片部分的长24mm，宽3.3mm。在主辐射贴片上高7.4mm处有一段长5.15mm宽2mm的枝节，该枝节可以用来调节·2·天线谐振的高频工作点。Antenna2得结构如图2所示，其外形尺寸和微带线馈线部分与Antenna1相同，主辐射贴片长27.1mm，宽3.3mm。在主辐射贴片上高7.3mm处的两边对称的添加长3.85mm宽2.4mm枝节。这样的两段枝节同样可以起到调节天线谐振的高频工作点的作用。图1Antenna1结构示意图（单位：mm）图2Antenna2结构示意图（单位：mm）Antenna1和Antenna2的结构也是典型的双频天线结构形式，通过构造出不同长度的谐振路径来实现不同的谐振频率。两天线的驻波特性曲线如图3所示。可以看出两天线的工作频带范围分别为2.2-2.7G/5.0-5.5G和2.2-2.65G/4.95-5.5G，均满足802.11标准所规定的WLAN的2.45G/5.2G频带范围。图3Antenna1和Antenna2的VSWR特性曲线上述Antenna1和Antenna2，以及文献[1]、[2]和[3]中给出的天线[1,2,3]，均只能满足WLAN常用的三个频段（2.4G、5.2G和5.8G）中的两个（2.4G和5.2G）。为了设计一个能同时工作在WLAN三个频段内的天线，我们采用等腰梯形渐变式片状结构做天线的辐射片，如图4所示的Antenna3，这种结构可以有效的展宽天线的工作带宽。天线的驻波特性曲线如图5所示，Antenna3的工作频带范围为2.2G-2.75G和4.75G-6.75G，覆盖了WLAN所要求的三个频段。Antenna3分别工作在2.45G、5.2G和5.8G时的方向图特性曲线如图6所示，在各要求的工作频点处，天线具有良好的方向性。图4Antenna3结构示意图（单位：mm）·3·图5Antenna4的VSWR特性曲线（a图为天线工作在2.45G时的E面和H面方向图；b为天线工作在5.2G时的E面和H面方向图；c为天线工作在5.8G时的E面和H面方向图）图6Antenna4的方向图特性曲线·4·天线的实物照片如图7所示，左侧为天线正面俯视图，右侧为天线背面俯视图。图7天线实物照片3结论本文设计了一种应用于WLAN通信的多频印刷单极子天线，通过采用倒置的双等腰梯形辐射结构来展宽天线的工作带宽。仿真和测试结果均表明本文提出的天线可工作于WLAN要求的2.4-2.484GHz、5.15-5.35GHz和5.725-5.825GHz多个频段。并且，在规定的工作频点上天线具有良好的方向特性。参考文献[1]Yi-FangLin,Horng-DeanChen,andHua-MingChen,Adual-bandprintedL-shapedmonopoleforWLANapplications,microwaveandopticaltechnologyletters/Vol.37,No.3,May52003,214-216[2]Yen-LiangKuoandKin-LuWong,Printeddouble-Tmonopoleantennafor2.4/5.2GHzdual-bandWLANoperations,IEEETransAntennasPropag51,2003,2187–2192[3]Chien-YuanPan,Chien-HsiangHuang,andTzyy-ShengHorng,AnewprintedG-shapedmonopoleantennafordual-bandWLANapplications,microwaveandopticaltechnologyletters/Vol.45,No.4,May202005,295-297.[4]HanhuaYangandShuYan,AnovelP-shapedprintedmonopoleantennaforRFIDapplications,microwaveandopticaltechnologyletters/Vol.51,No.2,February2009,554-556.[5]YueSong,Yong-ChangJiao,HuiZhao,ZhengZhang,Zi-BinWeng,andFu-ShunZhang,Compactprintedmonopoleantennaforultibandwlanapplications,microwaveandopticaltechnologyletters/Vol.50,No.2,February2008,365-367作者简介：凡守涛，男，硕士研究生，主要研究领域为天线工程与CAD、微波射频电路与系统等。尹应增，男，教授、博士生导师，主要研究领域为天线工程与CAD、微波射频识别技术、微波射频电路与系统等。王耀召，男，硕士研究生，主要研究领域为天线工程与CAD、微波射频识别技术等。李勤毅，男，硕士研究生，主要研究领域为平面微带反射阵天线、宽频带小型化微带天线等。·5·毫米波双平板微带反射阵列天线设计陈毅乔官正涛(中国电子科技集团公司第十研究所，四川成都610036)摘要：本文设计了一个毫米波频段的双平板微带反射阵列天线。全波仿真结果表明，在与微带单反射阵列天线电性能基本相同的情况下，双反射阵列天线还具有纵向尺寸减半的优点。关键词：微带，反射阵，毫米波，双平板TheDesignofMillimeter-WaveDualPlanarMicrostripReflectarrayAntennaChenYiqiaoGuanZhengtao(The10thResearchInstituteofElectronicsTechnologyCorporationofChina,Chengdu610036)Abstract:Amillimeter-wavedualplanarmicrostripreflectarrayantennaisdesignedandsimulatedinthispaper.Thesimulationresultindicatesthatthedualplanarmicrostripreflectarrayantennahasthealmostequalelectricperformanceandjusthalfofthelength,comparedwiththesingleplanarmicrostripreflectarrayantenna.Keywords:microstrip,reflectarray,millimeter-wave,dualplanar1引言平面微带反射阵天线采用空馈形式，天线效率大大增加，并且保持了微带阵列天线的大部分优点，具有结构简单，重量轻，成本低和批生产性好等优点，近年来其受到了广泛的关注。与传统的抛物面天线相同，平面微带反射阵天线也具有纵向尺寸较大的缺陷，从而在一定程度上限制其发展和运用。为了降低平面微带反射阵天线的纵向尺寸，近年来提出了一种双平板反射微带阵列天线形式。[1]双平板反射微带阵列天线不仅能有效地降低了天线的纵向尺寸（一般为平面反射微带阵列天线的50%），并且可以通过其特殊的双平板结构，进一步现实多波束及波束赋形等功能。[2-4]双平板微带反射阵列天线还可以与天线罩结合，实现天线罩-天线的整体设计，在降低了天线罩设计难度的同时，也进一步减小了天线分系统的总体尺寸。下面将介绍双平板反射微带阵列天线的基本原理和设计方法，并进行实例设计和仿真结果分析。2基本原理双平板反射微带阵列天线，由辐射馈源及两块反射平板所构成，其结构如图1所示。这两块反射平板分别为金属栅条反射板和微带贴片反射板，其对入射波分别具有不同的反射效果。微带贴片反射板具有空间相位补偿和极化扭转的功能，而金属栅条反射板则可对不同极化的波实现全反射或全透射。图1双平板反射阵列天线结构图·6·2.1空间相位补偿与传统的微带反射阵列天线相同，反射口径面的存在空间相位差，须通过微带反射板的各离散反射单元对入射波进行空间相位补偿，实现反射波在口径面具有相同的相位。各单元的反射相位由反射单元的尺寸确定。因此，采用不同尺寸的反射单元组成的微带反射板即可实现空间相位补偿。2