一種采用非對(duì)稱共面饋電結(jié)構(gòu)三頻平面單極子天線

一種采用非對(duì)稱共面饋電結(jié)構(gòu)的三頻平面單極子天線

作者：劉濤康樂(lè)黃丘林史小衛(wèi)單位：西安電子科技大學(xué)天線與微波技術(shù)重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室2023/2/72內(nèi)容安排設(shè)計(jì)目標(biāo)3結(jié)論5設(shè)計(jì)思路2論文概述1實(shí)驗(yàn)結(jié)果和分析42023/2/73論文概述論文意義、背景本論文提出了一種采用非對(duì)稱共面饋電結(jié)構(gòu)的緊湊型三頻平面單極子天線，該天線適用于無(wú)線局域網(wǎng)（WLAN）和全球微波互聯(lián)接入（WiMAX）通信系統(tǒng)。2023/2/74設(shè)計(jì)思路各種各樣的小型化微帶天線設(shè)計(jì)方法被提出。目前主要的設(shè)計(jì)方法有以下三種：

一、高介電常數(shù)法高介電常數(shù)的材料對(duì)天線的小型化非常有效，但是這種方法會(huì)使得微帶天線表面波損耗增大、輻射效率降低、頻帶變窄。二、微帶天線加載技術(shù)本質(zhì)上是改變微帶貼片上電流的路徑，減小天線尺寸。但是這種方法相比普通微帶天線，效率和增益都有所降低。。

2023/2/75設(shè)計(jì)思路三、曲流技術(shù)

曲流技術(shù)實(shí)現(xiàn)降低天線尺寸是通過(guò)改變?cè)蟹植嫉谋砻骐娏?，一般采用在輻射貼片上開(kāi)槽的方法。對(duì)于相同頻率的微帶天線，由于貼片表面開(kāi)槽后，電流的路徑長(zhǎng)度就增加，從而可以減小天線尺寸。2023/2/76設(shè)計(jì)思路多頻帶技術(shù)WLAN、WiMAX等無(wú)線通信技術(shù)的快速發(fā)展和通信系統(tǒng)的需要促使了微帶天線多頻化的發(fā)展，工程實(shí)踐中，為了滿足多頻段工作的需要，通常采用的方法有三種：一、多模單片法天線的單片結(jié)構(gòu)內(nèi)由于存在多種模式，多種諧振頻率可以被激勵(lì)起。二、多層貼片法把諧振頻率不同的貼片疊加在一起，從而實(shí)現(xiàn)微帶天線產(chǎn)生多個(gè)頻帶。2023/2/77設(shè)計(jì)思路三加載單片法微帶天線通常工作于單模形式，實(shí)現(xiàn)天線的雙頻或者多頻工作，就需要加載單片。加載的方法一般有短路加載，開(kāi)槽或者加載縫隙，增加寄生條帶或貼片等。2023/2/78設(shè)計(jì)目標(biāo)目標(biāo)本文通過(guò)采用非對(duì)稱共面饋電結(jié)構(gòu)，天線的三頻諧振特性通過(guò)在梯形輻射片上加載兩個(gè)L型縫隙來(lái)實(shí)現(xiàn)。由于該非對(duì)稱共面饋電結(jié)構(gòu)只采用單個(gè)側(cè)邊地平面，與傳統(tǒng)的共面波導(dǎo)饋電相比減少了共面波導(dǎo)饋電結(jié)構(gòu)近一半尺寸。2023/2/79天線結(jié)構(gòu)和設(shè)計(jì)天線的幾何結(jié)構(gòu)和實(shí)物圖天線結(jié)構(gòu)和設(shè)計(jì)

該天線由1.6mm厚的FR4作為介質(zhì)，其相對(duì)介電常數(shù)為4.4，損耗角正切為0.02.通過(guò)50歐姆的非對(duì)稱共面線饋電，饋線寬為3.5mm，距離側(cè)邊地平面0.5mm。在梯形貼片上開(kāi)兩個(gè)L型縫隙，分別為縫隙Slot1和縫隙Slot2，縫寬為1mm，通過(guò)在梯形輻射片上同時(shí)加載兩個(gè)縫隙，該天線實(shí)現(xiàn)了三頻諧振特性。2023/2/710天線結(jié)構(gòu)和設(shè)計(jì)

通過(guò)使用Ansoft高頻結(jié)構(gòu)仿真軟件，天線參數(shù)通過(guò)仿真優(yōu)化得到。優(yōu)化的天線參數(shù)尺寸如下：2023/2/711參數(shù)尺寸參數(shù)尺寸參數(shù)尺寸L25mmLg3.5mmS210mmL113mmW11mmS33mmL25mmWf3.5mmS48mmL33.5mmWg7mmG11mmL416.5mmS18.5mmG21mm實(shí)驗(yàn)結(jié)果與分析圖2采用不同輻射結(jié)構(gòu)的天線仿真回波損耗曲線2023/2/712實(shí)驗(yàn)結(jié)果與分析圖2顯示了天線在不同結(jié)構(gòu)的情況下仿真的回波損耗曲線。發(fā)現(xiàn)具有梯形的非對(duì)稱共面饋電結(jié)構(gòu)的單極子天線能激勵(lì)3.4GHz6.5GHz頻段兩個(gè)諧振模式。首先，通過(guò)在貼片上加載L型縫隙Slot1,在2.45GHz頻點(diǎn)產(chǎn)生了一個(gè)新的諧振點(diǎn)，類似地，在貼片上加載L型縫隙Slot2，能夠激勵(lì)更高的諧振頻率，以覆蓋5GHz的WLAN/WiMAX頻段。最后在該貼片上同時(shí)加載Slot1和Slot２，能夠同時(shí)產(chǎn)生兩個(gè)額外的諧振頻點(diǎn)，分別位于2.45和5.2GHz，實(shí)現(xiàn)了三個(gè)不同的諧振頻點(diǎn)。2023/2/713實(shí)驗(yàn)結(jié)果與分析圖3天線在(a)2.45GHz,(b)3.5GHz和(c)5.5GHz的電流分布2023/2/714實(shí)驗(yàn)結(jié)果與分析圖3顯示了該天線在三個(gè)不同頻點(diǎn)仿真的表面電流分布。在2.45GHz低頻段，天線電流主要集中在貼片右邊L型輻射單元上，在3.5GHz頻段，天線電流主要分布在貼片L型輻射單元的中間，而在5.5GHz高頻段,天線電流主要沿貼片左邊輻射單元分布。2023/2/715實(shí)驗(yàn)結(jié)果與分析圖4S2變化時(shí)天線的回波損耗曲線2023/2/716實(shí)驗(yàn)結(jié)果與分析

圖5S4變化時(shí)天線的回波損耗曲線2023/2/717實(shí)驗(yàn)結(jié)果與分析圖4和圖5說(shuō)明S2和S4取不同的值時(shí)，天線的回波損耗曲線變化情況。從圖4中得知，隨著S4數(shù)值的增加，低頻和中頻諧振頻點(diǎn)向更低頻移動(dòng)，但高頻諧振頻點(diǎn)變化很少。主要原因是隨著S2數(shù)值的增加，從圖3中顯示低頻和中頻諧振頻率的電流路徑變長(zhǎng)了。同理，在圖5中可以發(fā)現(xiàn)隨著S4的數(shù)值從7.5mm到8.5mm增加低頻諧振頻點(diǎn)乎沒(méi)有變化，然而中頻和高頻諧振頻點(diǎn)向更低的頻帶移動(dòng)。通過(guò)分析，選擇S2=10mmandS4=8mm，該天線能夠覆蓋2.4/5.2/5.8GHzWLAN和3.5/5.5GHzWiMAX頻段。2023/2/718實(shí)驗(yàn)結(jié)果與分析圖6天線回波損耗仿真和實(shí)測(cè)值對(duì)比曲線2023/2/719實(shí)驗(yàn)結(jié)果與分析2023/2/720圖6顯示該天線測(cè)量與仿真的回波損耗。該天線已加工，通過(guò)安捷倫N5230矢量網(wǎng)絡(luò)分析儀測(cè)試后，測(cè)量與仿真的回波損耗幾乎保值一致。測(cè)量的-10dB阻抗帶寬為120MHz(2.39–2.51GHz),510MHz(3.22–3.73GHz)和980MHz(4.93–5.91GHz)。結(jié)果表明本文提到的天線能夠覆蓋2.4/5.2/5.8GHzWLAN和3.5/5.5GHzWiMAX工作頻段。實(shí)驗(yàn)結(jié)果與分析2023/2/721圖7天線在2.45GHz,3.5GHz和5.5GHz測(cè)量的方向圖實(shí)驗(yàn)結(jié)果與分析2023/2/722圖7給出了天線在2.45GHz,3.5GHz和5.5GHz時(shí)的天線的實(shí)測(cè)的方向圖?？梢钥闯觯炀€在整個(gè)三頻帶內(nèi)具有在H面全向和在E面“8”字形輻射特性。2023/2/723本文設(shè)計(jì)、仿真并驗(yàn)證了一種采用非對(duì)稱共面饋電結(jié)構(gòu)的三頻平面單極子天線。該天線具有結(jié)構(gòu)尺寸小，成本低，易集成等特點(diǎn)，另外，實(shí)測(cè)結(jié)果表明，該天線覆蓋了WLAN/WiMAX頻段，且輻射方向圖滿足全向性要求。該天線可以應(yīng)用于WLAN/WiMAX無(wú)線通信系統(tǒng)。結(jié)論2023/2/724相關(guān)文獻(xiàn).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