一种L型多频带WLAN、WiMAX的微型天线_魏东来.pdf

电子设计工程Electronic Design Engineering第31卷Vol.31第4期No.42023年2月Feb.2023收稿日期：2021-11-15稿件编号：202111102基金项目：国家自然科学青年基金项目（6180031506）作者简介：魏东来（1997），男，河南周口人，硕士研究生。研究方向：微波射频技术。在现代无线通信系统中，多频段天线对满足无线业务需求起着非常重要的作用1。微带天线结构简单、体积小、质量轻，已经被广泛应用到无线通信中2。而用于无线局域网络(WLAN)和全球微波互联接入(WiMAX)无线系统的多频天线是近年来研究的热点3。根据 IEEE 的标准，WLAN 的 2.4G 频段主要分布在 2.42.483 5 GHz，5G 频段主要分布在5.0305.835 GHz；对于 WiMAX主要集中在 2.5 GHz、3.5 GHz和5.5 GHz的频段4。为了实现这些标准，许多国内外学者进行了研究，设计了不同的天线，取得了一定的成果5-9，不过有的天线还需要改进。微带天线的缺点是带宽窄，制约着其在这些领域的应用10，该文采用共面波导的馈电方式，其容易制作，不需要打眼过孔，辐射损耗小，相互之间的串扰比较小，适合和无源或者有源的表面贴片元件进行串联一种L型多频带WLAN、WiMAX的微型天线魏东来1，南雪莉2，夏 鹏1（1.山西大学 数学科学学院，山西 太原 030006；2.山西大学 自动化与软件学院，山西 太原 030006）摘要：基于当前通信技术飞速发展的需求背景，提出并设计了一种可应用于WLAN、WiMAX的微型的 CPW（共面波导馈电）天线。该天线将 L型枝节和开口谐振环与辐射贴片和共面波导地面相结合，采用环氧树脂 FR-4作为介质基片，该基片可以满足天线的各种应用形式，固化也非常方便。天线整体尺寸很小，仅为 31 mm31 mm0.8 mm。通过添加 L 型枝节和开口谐振环，激发了天线的两个谐振频点，拓宽了频带带宽（几乎全覆盖）。通过HFSS对天线进行仿真分析得出，天线可以工作在 WLAN（2.42.48 GHz）、（5.05.15 GHz）和 WiMAX（3.43.6 GHz）的频段上，并且有着良好的增益。关键词：L型；多频带；CPW；微型天线；WLAN；WiMAX中图分类号：TN82文献标识码：A文章编号：1674-6236（2023）04-0007-04DOI：10.14022/j.issn1674-6236.2023.04.002The utility model relates to an Ltype multiband WLAN and WiMAX micro antennaWEI Donglai1，NAN Xueli2，XIA Peng1（1.School of Mathematical Sciences，Shanxi University，Taiyuan 030006，China；2.School of Automationand Software Engineering，Shanxi University，Taiyuan 030006，China）Abstract:Based on the rapid development of current communication technology，a micro CPW(CoplanarWaveguide feed)antenna which can be applied to WLAN and WiMAX is propoesd and designed.Theantenna combines Ltype branches and open resonant rings with a radiant patch and coplanar waveguideground，using epoxy resin FR-4 as a dielectric substrate，which can meet a wide range of antennaapplications and is very easy to cure.The overall antenna size is very small，only 31 mm31 mm0.8 mm.By adding Ltype branches and open resonant rings，the two resonant points of the antenna are excitedand the band bandwidth is widened(almost full coverage).Through the simulation analysis of the antennaby HFSS，the antenna can work in WLAN(2.42.48 GHz)，(5.05.15 GHz)and WiMAX(3.43.6 GHz)band，and has a good gain.Keywords:Ltype；multiband；CPW；micro antenna；WLAN；WiMAX-7电子设计工程 2023年第4期或并联11。CPW馈电的平面天线带宽宽、成本低，易于与射频前端电路集成12。1天线结构的设计1.1共面波导天线该天线是由一个开口谐振环、有限地共面波导接地面、共面波导馈电线和介质基板组成。其中，共面波导馈电线上接了一个 L 型枝节，有限地共面波导接地面进行了开槽缝隙处理。天线整体尺寸为31 mm31 mm，介质基片的相对介电常数为r=4.4，损耗角正切值tan=0.02，介质基板厚度 h=0.8 mm，采用50共面波导馈电。共面波导的横截面如图1所示，所有导体都在一个平面内，能量在其中以准TEM波的方式传播13。图1共面波导的横截面图共面波导的特性阻抗可以由保角变换方法得到14，Z0=01e，其中，e是共面波导的有效介电常数，e可以由准静态法计算15，计算公式如下：e=r+12tan0.775 lnhd+1.75+kdh0.04-0.7k+0.01(1-0.1r)(0.25+k)（1）式中，k=ww+2d。在r9,hd1和0k0.7范围内，公式精度优于1.5%；Z01是 共 面 波 导 的 特 性 阻 抗，它 的 值 为Z01=14c0K(k)K(k)，式中，c为真空中的光速，0为空气中的介电常数，K(k)表示第一类完全椭圆函数；K(k)=K(k);k=1-k2。K(k)K(k)的近似公式表示为：K(k)K(k)=1ln21+k1-k-1,()0k0.7 1ln 21+k1-k,()0.7k1（2）1.2多频共面波导天线结构设计天线的设计过程分为三步，分别为最初结构、修改结构和最终结构。每一步的结构分别在前一步的结构上进行改进，三种天线的结构如图2所示。图2三种天线的结构天线的最初设计模型如图2(a)所示，只有矩形辐射贴片和矩形接地板，电流从馈电端到辐射贴片，辐射频率只能满足 2.34.3 GHz，天线采用共面波导馈电方式，馈电端两边的共面接地部分采用不相等大小的结构，还进行了开槽缝隙处理，这样可以改变天线电流的传播路径，增加天线的带宽覆盖16。图2(b)为修改结构，是在原有结构的矩形辐射贴片上加入L型枝节，从天线回波损耗图中可以看出，天线的低频谐振点向左移动至2.1 GHz处，同时由于加入了L型枝节，激发了第二个谐振频点为4.0 GHz。图2(c)在修改结构的基础上，在介质基板的上方加入了一个开口谐振环，可以在不改变天线尺寸的前提下，激发第三个谐振频点为4.6 GHz，同时拓宽了天线的频段带宽17-18。这三种结构的共面波导馈电天线的仿真 S11曲线对比如图 3所示。通过图 3可以看到，结构 1的回波损耗比较差只有23 dB左右，所覆盖的频段也比较单一，只有 2.6 GHz。结构 2相比于结构 1，由于辐射贴片上增加了一个L型枝节，进而使得该天线增加了一个谐振点，同时低频点回波损耗也变得更好，但是谐振点只有两个，5 GHz附近缺少谐振频点，仍然不能够满足 WLAN、WiMAX 频段工作的要求；结构 3在第二个结构的基础上，天线介质基片上的左边部分增加了一个开口谐振环，使得天线出现了三个谐振点，同时回波损耗效果更好。通过对结构3天线的仿真和优化，可以让结构 3 的天线覆盖 2.42.48 GHz、3.43.6 GHz和5.0 GHz频段，使得天线可以同时工作于 WLAN 和 WiMAX 频段。通过对比三种结构天线的回波损耗图，得出天线的最终结构如图4所示。2天线的仿真与优化通过对参数的仿真优化，可以得出天线最佳性-8能参数。下面分别对天线的关键参数 L型枝节的长度以及开口谐振环的环形长度的变化进行分析，进一步探讨天线的最佳参数。参数 L型枝节的长度变化对天线回波损耗的影响如图 5所示，通过图 5可以得出，随着 L 型枝节长度的增加，天线的低频谐振点没有发生转移，回波损耗在逐渐变小；在34 GHz之间的谐振点逐渐发生了右移，从L型枝节长度为18.9 mm所对应的中频3 GHz逐渐右移到 L型枝节长度为 23.1 mm 所对应的中频3.6 GHz；变化较大的高频谐振点随着长度的增加而左移，从L型枝节长度为18.9 mm所对应的高频5 GHz逐渐左移到 L型枝节长度为 23.1 mm 所对应的高频4.5 GHz。当开口谐振环的环形边长发生变化时，对不同长度的开口谐振环进行仿真，仿真结果如图 6 所示。可以看到，开口谐振环的环形长度的增加对 23 GHz频段和34 GHz频段的影响较小，主要是影响了4 GHz之后的频段，说明开口谐振环主要影响天线高频段的谐振频率和回波损耗，而中间 34 GHz 频段也受到了影响，证明在组成天线的每个结构之间，都存在着一定的相互影响。为了能够更好地覆盖这些频段，从中获得最佳性能，最后选取了 L型枝节长度为20.3 mm和开口谐振环环形长度为22.8 mm作为最终结构的参数。图6天线的回波损耗随开口谐振环的环形长度的变化曲线表1天线尺寸信息参数L1L2WdgLsLgW3WsL4L5LdW1W2长度/mm312660.41935182.52878.4图3三种结构的共面波导馈电天线的仿真S11曲线对比图4天线最终结构图5天线的回波损耗随L型枝节长度的变化曲线魏东来，等一种L型多频带WLAN、WiMAX的微型天线-9电子设计工程 2023年第4期表 1 为通过仿真优化之后的天线最优尺寸参数，其中，L1为天线的长度和宽度，L2为天线内环切割方形的边长，L4为开口谐振环内壁宽度，Ls为开口谐振环长度，Ld为辐射片的长度，Wd为共面波导馈电线上半部分贴片的宽度，W1和 W2分别为共面波导接地部分的上半部长度和中间裁剪的方形边长，Ws为馈线下部分的宽度，g为馈线和接地部分的间距。图7为该天线分别在谐振点2.4 GHz、3.5 GHz和5 GHz处的二维辐射方向图。由图7(a)可知，在2.4 GHz频段时，天线的 E面大约呈现 8字型对称，基本满足全向性特性，H面上也基本满足全向性特性，效果较好；由图 7(b)中可知，在 3.5 GHz频段上，天线的 E面方向图和 H 面方向图都表现出了较好的方向性；图 7(c)是在5 GHz频段上天线的方向图，可以得出天线在 E面效果满足 8字形，符合全向性特性，H 面全向性效果稍差一些，也基本满足全向性。增益部分5 GHz 频段增益较好，中间 3.5 GHz 频段的增益较好，但是低频点2.4 GHz频段增益较低，还有待提高。3结论该文基于CPW馈电方式设计了一款L型枝节多频带，应用于 WLAN、WiMAX的微型天线，该天线由加了 L型的枝节的辐射贴片、开口谐振环、共面接地部分和介质基板组成。通过仿真可以得出，天线可以工作在 WLAN（2.42.48 GHz）、（5.05.15 GHz）和WiMAX（3.43.6 GHz）的频段上，回波损耗可以达到30 dB，并且带宽很高，达到了 UW