一种采用非对称共面馈电结构三频平面单极子天线

一种采用非对称共面馈电结构的三频平面单极子天线

作者：刘涛康乐黄丘林史小卫单位：西安电子科技大学天线与微波技术重点实验室2023/2/72内容安排设计目标3结论5设计思路2论文概述1实验结果和分析42023/2/73论文概述论文意义、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。2023/2/74设计思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有以下三种：

一、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，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、频带变窄。二、微带天线加载技术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低。。

2023/2/75设计思路三、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，一般采用在辐射贴片上开槽的方法。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，从而可以减小天线尺寸。2023/2/76设计思路多频带技术WLAN、WiMAX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，为了满足多频段工作的需要，通常采用的方法有三种：一、多模单片法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。二、多层贴片法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。2023/2/77设计思路三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，开槽或者加载缝隙，增加寄生条带或贴片等。2023/2/78设计目标目标本文通过采用非对称共面馈电结构，天线的三频谐振特性通过在梯形辐射片上加载两个L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，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。2023/2/79天线结构和设计天线的几何结构和实物图天线结构和设计

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。2023/2/710天线结构和设计

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：2023/2/711参数尺寸参数尺寸参数尺寸L25mmLg3.5mmS210mmL113mmW11mmS33mmL25mmWf3.5mmS48mmL33.5mmWg7mmG11mmL416.5mmS18.5mmG21mm实验结果与分析图2采用不同辐射结构的天线仿真回波损耗曲线2023/2/712实验结果与分析图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。2023/2/713实验结果与分析图3天线在(a)2.45GHz,(b)3.5GHz和(c)5.5GHz的电流分布2023/2/714实验结果与分析图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。2023/2/715实验结果与分析图4S2变化时天线的回波损耗曲线2023/2/716实验结果与分析

图5S4变化时天线的回波损耗曲线2023/2/717实验结果与分析图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=10mmandS4=8mm，该天线能够覆盖2.4/5.2/5.8GHzWLAN和3.5/5.5GHzWiMAX频段。2023/2/718实验结果与分析图6天线回波损耗仿真和实测值对比曲线2023/2/719实验结果与分析2023/2/720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(2.39–2.51GHz),510MHz(3.22–3.73GHz)和980MHz(4.93–5.91GHz)。结果表明本文提到的天线能够覆盖2.4/5.2/5.8GHzWLAN和3.5/5.5GHzWiMAX工作频段。实验结果与分析2023/2/721图7天线在2.45GHz,3.5GHz和5.5GHz测量的方向图实验结果与分析2023/2/722图7给出了天线在2.45GHz,3.5GHz和5.5GHz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H面全向和在E面“8”字形辐射特性。2023/2/723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。结论2023/2/724相关文献.1.J.J.Xie,X.S.Ren,Y.Z.Yin,andS.L.Zuo,Rhombicslotantennadesignwithapairofstraightstripsandtwo∩-shapedslotsforWLAN/WiMAXapplications,MicrowaveOptTechnolLett54(2012),1466–1469.2.P.Wang,G.J.Wen,Y.J.HuangandY.H.Sun,CompactCPW-fedplanarmonopoleantennawithdistincttriplebandsforWiFi/WiMAXapplications,ElectronLett48(2012),357–359.3.W.C.Liu,C.M.WuandN.C.Chu,ACompactCPW-FedSlottedPatchAntennaforDual-BandOperation,IEEEAntennasWirelessPropagLett9(2010),110–113.4.R.K.BadhaiandN.Gupta,Compactdualsin-shapedmonopoleantennafordualbandwirelessapplications,MicrowaveOptTechnolLett55(2013),2883–2888.5.C.C.Lin,E.Z.YuandC.Y.Huang,Dual-bandrhombusslotantennafedbyCPWforWLANapplications,IEEEAntennasWirelessPropagLett11(2012),362–364.6.S.T.Fan,Y.Z.Yin,W.Hu,K.Song,andB.Li,NovelCPW-fedprintedmonopoleantennawithann-shapedslotfordual-bandoperations,MicrowaveOptTechnolLett54(2012),240–242.7.V.Deepu,K.R.Rohith,J.Manoj,M.N.SumaandP.Mohanan,Compactasymmetriccoplanarstripfedmonopoleantennaformultibandapplications,IEEETransAntennasPropag55(2007),2351–2357.8.V.Deepu,R.Sujith,S.Mridula,C.K.Aanandan,K.Vasudevan,andP.Mohanan,ACSfedprintedF-shapeduniplanarantennafordualbandWLANapplications,MicrowaveOptTechnolLett51(2009),1852–1856.9.P.Ashkarali,S.Sreenath,R.Sujith,R.Dinesh,D.D.Krishna,andC.K.Aanandan,Acompactasymmetriccoplanarstripfeddual-bandantennaforDCS/WLANapplications,MicrowaveOptTechnolLett54(2012),1087–1089.10.Y.S.Li,W.X.LiandQ.B.Ye,Acompactasymmetriccoplanarstrip-feddual-bandantenn