一种采用非对称共面馈电结构的三频平面单极子天线

1、2015年全国微波毫米波会议年全国微波毫米波会议一种采用非对称共面馈电结构的三一种采用非对称共面馈电结构的三频平面单极子天线频平面单极子天线作作 者：刘涛者：刘涛 康乐康乐 黄丘林黄丘林 史小卫史小卫单单 位：位： 西安电子科技大学西安电子科技大学 天线与微波技术重点实验室天线与微波技术重点实验室2022-2-242内容安排设计目标设计目标3结论结论5设计思路设计思路2论文概述论文概述1实验结果和分析实验结果和分析42022-2-243论论 文文 概概 述述论文意义、背景论文意义、背景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

2、天线，该天线适用于无线平面单极子天线，该天线适用于无线局域网局域网（WLANWLAN）和全）和全球微波互联接入（球微波互联接入（WiMAXWiMAX）通信系统。）通信系统。2022-2-244设设 计计 思思 路路 各种各样的小型化微带天线设计方法被提出。目前主要的设计方法各种各样的小型化微带天线设计方法被提出。目前主要的设计方法有以下三种：有以下三种： 一、一、 高介电常数法高介电常数法 高介电常数的材料对天线的小型化非常有效高介电常数的材料对天线的小型化非常有效，但是这种方法会使得微带天线表面波损耗增大，但是这种方法会使得微带天线表面波损耗增大 、辐射效率降低、频、辐射效率降低、频带变窄。

3、带变窄。 二、二、 微带天线加载技术微带天线加载技术 本质上是改变微带贴片上电流的路径，本质上是改变微带贴片上电流的路径，减小天线尺寸。但是这种方法相比普通微带天线，效率和增益都有所降减小天线尺寸。但是这种方法相比普通微带天线，效率和增益都有所降低。低。 2022-2-245设设 计计 思思 路路三、三、曲流技术曲流技术 曲流技术实现降低天线尺寸是通过改变原有分布的表面电流曲流技术实现降低天线尺寸是通过改变原有分布的表面电流，一般采用，一般采用在辐射贴片上开槽在辐射贴片上开槽的方法。对于相同频率的微带天的方法。对于相同频率的微带天线，由于贴片表面开槽后，电流的路径长度就增加，从而可以线，由于贴

4、片表面开槽后，电流的路径长度就增加，从而可以减小天线尺寸。减小天线尺寸。2022-2-246设设 计计 思思 路路多频带技术多频带技术 WLAN WLAN、WiMAX WiMAX 等无线通信技术的快速发展和通信系统的需等无线通信技术的快速发展和通信系统的需要促使了微带天线多频化的发展，工程实践中，为了满足多频要促使了微带天线多频化的发展，工程实践中，为了满足多频段工作的需要，通常采用的方法有三种：段工作的需要，通常采用的方法有三种： 一、一、 多模单片法多模单片法 天线的单片结构内由于存在多种模式天线的单片结构内由于存在多种模式，多种谐振频率可以被激励起。，多种谐振频率可以被激励起。 二、二、

5、 多层贴片法多层贴片法 把谐振频率不同的贴片叠加在一起把谐振频率不同的贴片叠加在一起，从而实现微带天线产生多个频带。，从而实现微带天线产生多个频带。2022-2-247设设 计计 思思 路路三三 加载单片法加载单片法 微带天线通常工作于单模形式，实现天线的双频或者多频微带天线通常工作于单模形式，实现天线的双频或者多频工作，就需要加载单片。加载的方法一般有短路加载，开槽或工作，就需要加载单片。加载的方法一般有短路加载，开槽或者者加载缝隙加载缝隙，增加寄生条带或贴片等。，增加寄生条带或贴片等。2022-2-248设设 计计 目目 标标目标目标本文通过采用非对称共面馈电结构，天线的三频谐振本文通过采

6、用非对称共面馈电结构，天线的三频谐振特性通过在梯形辐射片上加载两个特性通过在梯形辐射片上加载两个L L型缝隙来实现。型缝隙来实现。由于该非对称共面馈电结构只采用单个侧边地平面，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。近一半尺寸。2022-2-249 天 线 结 构 和 设 计v 天线的几何结构和实物图天线的几何结构和实物图天 线 结 构 和 设 计v 该天线由该天线由1.6mm厚的厚的FR4作为介质，其相对介电常数为作为介质，其相对介电常数为4.4，损耗角正切为损耗角正切为0.02.通

7、过通过50欧姆的非对称共面线馈电，馈线宽欧姆的非对称共面线馈电，馈线宽为为3.5mm，距离侧边地平面，距离侧边地平面0.5mm。在梯形贴片上开两个。在梯形贴片上开两个L型缝隙，分别为缝隙型缝隙，分别为缝隙Slot1和缝隙和缝隙Slot2，缝宽为，缝宽为1mm，通过，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。特性。2022-2-2410天 线 结 构 和 设 计v 通过使用通过使用Ansoft高频结构仿真软件，天线参数通过仿真优化高频结构仿真软件，天线参数通过仿真优化得到。优化的天线参数尺寸如下：得到。优化的天线参数尺寸如下

8、：2022-2-2411 参参 数数 尺尺 寸寸 参参 数数 尺尺 寸寸 参参 数数 尺尺 寸寸 L25mmLg3.5mmS210mmL113mmW11mmS33mmL25mmWf3.5mmS48mmL33.5mmWg7mmG11mmL416.5mmS18.5mmG21mm实 验 结 果 与 分 析 图图2 采用不同辐射结构的天线仿真回波损耗曲线采用不同辐射结构的天线仿真回波损耗曲线2022-2-2412实 验 结 果 与 分 析v 图图2显示了天线在不同结构的情况下仿真的回波损耗曲线。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发现具有梯

9、形的非对称共面馈电结构的单极子天线能激励3.4GHz 6.5GHz频段两个谐振模式。首先，通过在贴片上加频段两个谐振模式。首先，通过在贴片上加载载L型缝隙型缝隙Slot1,在在2.45GHz频点产生了一个新的谐振点，类频点产生了一个新的谐振点，类似地，在贴片上加载似地，在贴片上加载L型缝隙型缝隙Slot2，能够激励更高的谐振频，能够激励更高的谐振频率，以覆盖率，以覆盖5GHz的的 WLAN/WiMAX频段。最后在该贴片上频段。最后在该贴片上同时加载同时加载Slot1和和Slot，能够同时产生两个额外的谐振频点，能够同时产生两个额外的谐振频点，分别位于分别位于2.45和和5.2GHz，实现了三个

10、不同的谐振频点。，实现了三个不同的谐振频点。2022-2-2413实 验 结 果 与 分 析图图3 天线在天线在(a)2.45GHz,(b)3.5GHz和和 (c)5.5GHz的电流分布的电流分布2022-2-2414实 验 结 果 与 分 析v 图图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低频段，天线电流主要集中在贴片右边L型辐射单型辐射单元上，在元上，在3.5GHz频段，天线电流主要分布在贴片频段，天线电流主要分布在贴片L型辐射单型辐射单元的中间，而在元的中间，而在5.5GHz高频段高

11、频段,天线电流主要沿贴片左边辐天线电流主要沿贴片左边辐射单元分布。射单元分布。2022-2-2415实 验 结 果 与 分 析 图图 4 S2变化时天线的回波损耗曲线变化时天线的回波损耗曲线2022-2-2416实 验 结 果 与 分 析 图图 5 S4变化时天线的回波损耗曲线变化时天线的回波损耗曲线2022-2-2417实 验 结 果 与 分 析v 图图4和图和图5说明说明S2和和S4取不同的值时，天线的回波损耗曲线取不同的值时，天线的回波损耗曲线变化情况。从图变化情况。从图4中得知，随着中得知，随着S4数值的增加，低频和中频数值的增加，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

12、。主要原谐振频点向更低频移动，但高频谐振频点变化很少。主要原因是随着因是随着S2数值的增加，从图数值的增加，从图3中显示低频和中频谐振频率中显示低频和中频谐振频率的电流路径变长了。同理，在图的电流路径变长了。同理，在图5中可以发现随着中可以发现随着S4的数值的数值从从7.5mm到到8.5mm增加低频谐振频点乎没有变化，然而中频增加低频谐振频点乎没有变化，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，该天线能够覆盖 2.4/5.2/5.8 GHz WLAN和和3.5/5.5 GH

13、z WiMAX频段。频段。2022-2-2418实 验 结 果 与 分 析 图图 6 天线回波损耗仿真和实测值对比曲线天线回波损耗仿真和实测值对比曲线2022-2-2419实 验 结 果 与 分 析2022-2-2420v 图图6显示该天线测量与仿真的回波损耗。该天线已加工，通显示该天线测量与仿真的回波损耗。该天线已加工，通过安捷伦过安捷伦N5230矢量网络分析仪测试后，测量与仿真的回波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。测量的损耗几乎保值一致。测量的-10dB阻抗带宽为阻抗带宽为120MHz(2.392.51GHz),510MHz(3.223.73GHz)和和980 MH

14、z (4.935.91GHz)。结果表明本文提到的天线能够覆盖。结果表明本文提到的天线能够覆盖 2.4/5.2/5.8 GHz WLAN和和3.5/5.5 GHz WiMAX 工作频段。工作频段。实 验 结 果 与 分 析2022-2-2421图图7 天线在天线在2.45GHz, 3.5GHz和和5.5GHz 测量的方向图测量的方向图实 验 结 果 与 分 析2022-2-2422v 图图7给出了天线在给出了天线在2.45GHz, 3.5GHz和和5.5 GHz时的天线的实时的天线的实测的方向图。可以看出，天线在整个三频带内具有在测的方向图。可以看出，天线在整个三频带内具有在H面全面全向和在向

15、和在E面面“8”字形辐射特性。字形辐射特性。2022-2-2423v 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。该天频段，且辐射方向图满足全向性要求。该天线可以应用于线可以应用于WLAN/WiMAX无线通信系统。无线通信系统。结 论2022-2-2424相 关 文 献v.1. J.J. Xie,

16、 X.S. Ren, Y.Z. Yin, and S.L. Zuo, Rhombic slot antenna design with a pair of straight strips and two-shaped slots for WLAN/WiMAX applications, Microwave Opt Technol Lett 54 (2012), 14661469.v2. P. Wang, G.J. Wen, Y.J. Huang and Y.H. Sun, Compact CPW-fed planar monopole antenna with distinct triple

17、bands for WiFi/WiMAX applications, Electron Lett 48 (2012), 357359.v3. W.C. Liu, C.M. Wu and N.C. Chu, A Compact CPW-Fed Slotted Patch Antenna for Dual-Band Operation, IEEE Antennas Wireless Propag Lett 9 (2010), 110113.v4. R.K. Badhai and N. Gupta, Compact dual sin-shaped monopole antenna for dual

18、band wireless applications, Microwave Opt Technol Lett 55 (2013), 28832888.v5. C.C. Lin, E.Z. Yu and C.Y. Huang, Dual-band rhombus slot antenna fed by CPW for WLAN applications, IEEE Antennas Wireless Propag Lett 11 (2012), 362364.v6. S. T. Fan, Y. Z. Yin, W. Hu, K. Song, and B. Li, Novel CPW-fed pr

19、inted monopole antenna with an n-shaped slot for dual-band operations, Microwave Opt Technol Lett 54 (2012), 240242.v7. V. Deepu, K.R. Rohith, J. Manoj, M.N. Suma and P. Mohanan, Compact asymmetric coplanar strip fed monopole antenna for multiband applications, IEEE Trans Antennas Propag 55 (2007),23512357.v8. V. Deepu, R. Sujith, S. Mridula, C.K. Aanandan, K. Vasudevan, and P. Mohanan, ACS fed printed F-shaped uniplanar ante