HFSS天线论 2009天线年会论 1-7

一种应用于无线局域网（WLAN）的双频带缝隙天线武晓博 尹应增 宋坤 任学施(西安电子科技大学天线与微波技术国防科技重点实验室，陕西 西安 710071)摘 要：本文设计了一种应用于无线局域网（WLAN）的双频带缝隙天线。天线由50微带线馈电的矩形辐射片和地板腐蚀倒L缝隙组成。通过矩形辐射片开缝，调节缝隙长度在2.53.6GHz生成了阻带，较好的实现了双频带特性。天线具有小尺寸、结构简单、低成本等优点。关键词：缝隙天线；双频；无线局域网A Dual-Band Slot Antenna for WLAN OperationWu Xiao bo Yin Ying zeng Song Kun Ren Xue shi(National Laboratory of Antennas and Microwave Technology, Xidian University , Xian Shaanxi 710071 , China)Abstract：In this paper, a dual-band slot antenna for WLAN application is presented, which consists of a rectangular radiator fed by 50W micro-strip line and inverted-L slot etched on the opposite ground. By inserting a split on the rectangular radiator, the dual-band characteristic is achieved well. The split can easily create a rejected band at 2.53.6GHz, which is adjusted by varying the length of the split. The proposed antenna has some advantages such as low profile, simple structure and low cost.Keywords：slot antenna; dual-band; WLAN 91 引言随着无线通信设备用户的不断增加，传输速率的不断提高，有限的频谱资源显得日益紧张。当前，现代无线通信中天线的多频带应用倍受重视。在无线局域网（WLAN）、蓝牙（Blue Tooth）等技术普及的同时，拥有更高传输速率的全球微波存取互通，超宽频通信等新兴无线通信技术日渐成熟。印刷式微带天线具有轮廓低、质量轻、体积小、制造容易、成本低、隐蔽性高，可以轻易地附着在任意表面。微带天线近几年来更是被广泛地研究及大量应用在无线通信设备上。虽然微带天线具有高品质因素，但其窄频带、低效率、较差的极化纯度、离散的馈入辐射等不足需要继续改进与研究。尤其目前无线通信系统上对于频带需求越来越高，文献1、2、3中增加频带带宽的设计及多频带的设计成为重要的研究课题。无线局域网络WLAN(2.45/5.2/5.8GHz)天线设计一般可以分为双频设计和宽频设计。首先，宽频天线设计中，可以通过改变天线结构，如多层天线，添加寄生贴片，口径耦合,贴片切槽技术等方式增加天线带宽，文献4、5中运用了地板开路槽设计来增加天线带宽。其次，双频天线设计主要通过切槽技术来实现，文献6提供了一种多频天线设计方法。本文设计了一种具有直线型缝隙的小型化双频带天线。该天线具有符合现今无线通讯频段（WLAN）要求的宽频及多频带特性，并且具有小尺寸、结构简单、低成本、宽的阻抗频宽等优点。2 双频带缝隙天线宽带双频带微带天线设计过程是先设计出涵盖应用频段的宽带天线，再视应用频段，加入抑制频段的机制。同时宽频天线的设计必须考虑现今无线通信产品小型化的趋势，在以前的天线设计中，大多宽频带天线都有较大的体积。对现今要求轻薄短小无线通讯产品来说，无疑是不太适用的。基于文献7,本文采用具有四分之一波长谐振的小型化开槽宽频天线，工作频段为2.14GHz5.63GHz。为实现无线局域网范围的双频天线，本文采用在辐射片上开出一个直线状的缝隙，来实现天线的阻带特性。本文所讨论的直线型缝隙双频天线结构如图1所示。设计中，所用介质板材为FR4，介质板的介电常数和厚度分别为，天线工作于WLAN（2.4GHz2.4835GHz，5.15GHz5.35GHz，5.725GHz5.850GHz）频段，天线结构尺寸如图1所示，天线实物如图2所示。图1 天线结构尺寸示意图 (单位：mm)3 仿真与试验结果天线使用Ansoft公司的HFSS软件来设计分析。在天线各尺寸仿真优化的基础上加工了天线实物，并对天线样品做了实验研究。图4给出了L=12mm时回波损耗实测和仿真数据，从图中可以看出实测结果和仿真结果吻合良好。在天线工作频段2.4GHz2.4835GHz，5.15 GHz 5.35GHz和5.725GHz5.850GHz之间，天线回波损耗小于-10dB。由于辐射片上直线状缝隙的存在，在2.5GHz3GHz之间，产生了明显的阻带。在一定范围，通过调节L值的大小（L取0、10、11、12mm时）可以改变阻带的中心频率，如图4所示。图5、图6分别给出了天线在2.4GHz和5.25GHz时的方向图。可以看出天线H面具有全向的方向图，满足通常情况下无线通信天线的要求。(a) 天线顶层(b) 天线底层图2 天线实物图3 回波损耗仿真与测试结果图4 回波损耗仿真结果(a) E面方向图(b) H面方向图图5 2.4GHz天线方向图(a) E面方向图(b) H面方向图图6 5.25GHz天线方向图4 结论本文设计了一种新颖的双频带缝隙天线，通过在辐射片上开直线槽形成阻带，测试结果表明在2.5GHz3GHz之间，产生了明显的阻带，实测结果和仿真结果吻合良好。天线工作于WLAN（2.4GHz 2.4835GHz，5.15GHz5.35GHz，5.725 GHz 5.850GHz）频段，具有小尺寸、结构简单、低成本、宽的阻抗频宽等优点。参 考 文 献1Grishi Kumar and K.P.Ray , Broadband Microstrip AntennasM , Artech House , Inc. 2003.2Kin-Lu Wong , Compact and Broadband Microstrip AntennasM, John Wiley & Sons , Inc. 2002.3Aliakbar Dastranj, Ali Imani, and Mohammad Naser-Moghaddasi，Printed Wide-Slot Antenna for Wideband ApplicationsJ，IEEE Trans on Antennas and Propag., 56(10), p 3097-3102, 2008.4Wen-Shan Chen and Kuang-Yuan Ku, Broadband design of the non-symmetric ground /4 open slot antenna with small sizeC, 2006 IEEE Antennas and Propagation Society International Symposium., p 2563-6, 2006.5Shao-Chang Lu, Jeen-Sheen Row, Chow-Yen-Desmond Sim2, and Shiao-Wen Wu，Design of Broadband Slot Antennas for Circular PolarizationC，2007 IEEE Antennas and Propagation Society International Symposium., p 2694-7, 2008.6Wen-Shan Chen and Kuang-Yuan Ku，Band-Rejected Design of the Printed Open Slot Antenna for WLAN/WiMAX OperationJ，IEEE Trans on Antennas and Propag., 56(4), p 1163-9, 2008.7Jian-Xin Liang, Choo C. Chiau, Xiao-Dong Chen and Clive G. Parini ,Study of a Printed Circular Disc Monopole Antenna for UWB SystemsJ, IEEE Trans on Antennas and Propag., 53(11), p 3500-4, 2005.作者简介：武晓博，男，硕士研究生，主要研究领域为射频识别、微带天线研究等。一种多用途天线的小型化集成设计李欣冀 王遂学(北京航天长征飞行器研究所，北京 100076)摘 要：本文对一种基于飞行器载体平台，多用途天线的实现途径进行了介绍，从天线原型原理分析及选取、互耦影响、空间结构布局等角度出发，阐述了该无线天线宽带圆极化、宽波束、小型化、抗干扰等特性的设计方案，给出了特定频段的仿真及实测数据曲线。关键词：宽带圆极化 宽波束 小型化 收发隔离度 Integrated Design on Miniaturization for a Multifunctional Antenna Li Xin ji Wang Sui xue(Beijing Institute of Long March Space Vehicle , Beijing 100076)Abstract: In this paper, the approach of a multifunctional antenna is analyzed in the platform of aircraft. The scheme of performance on broad band, circularly polarization, wide beam, miniaturized, and transmit-receive isolation is expatiated upon the content that is derived from analyzing of antennas prototype, mutual couplings effects , and distribution of structure.Keywords: broad band; circularly polarization; wide beam; miniaturized; transmit-receive isolation1 引言由于受到气动、防热、重量、体积等因素的严格限制，往往需要空间飞行器天线具有可与飞行器表面共形安装、低剖面、小型化等特点，微带天线是较普遍采用的形式。但是，在跳扩频与CDMA体制结合的无线系统应用中，天线不仅要求在较宽频带实现圆极化，而且需要小型化，尤其是在多无线系统应用中，需要在有限天线辐射窗口完成多个天线的布局；这样，普通微带天线带宽，尤其是圆极化带宽太窄（不足1%）的缺陷就凸现出来，这是因为微带天线属一维小型化谐振式天线，Q值高造成1。同时，跳扩频系统的发射频率与CDMA体制的接收频率相近，极化相同，故存在干扰的风险，需要在天线的设计布局中考虑措施，减小后端系统电磁兼容的压力。2 实现途径分析2.2 实现途径2.2.1 宽频圆极化飞行器无线系统提出宽频圆极化电气性能是首要保证指标。常见的宽频圆极化天线诸如螺旋天线、十字腔对称振子天线等的带宽可达15%-50%，但不具有微带贴片天线低剖面、易共形、重量轻等特点，不宜作为飞行器的天线形式。而普通圆极化微带天线属于高Q值的一维小型化谐振式天线，其阻抗匹配带宽，尤其是圆极化带宽太窄（不足1%）的缺陷凸现，满足不了大于10%的技术要求。因此，新型的微带形式是解决这一问题的切实途径。尽管天线形式各异，但圆极化产生机理万变不离其宗：任一圆极化波可分解为两个在空间、时间上均正交的等幅线极化波，在辐射体的辐射电场中恰当分离出两个空间正交的线极化电场分量并使二者振幅相等（即简并模），相位差90，就能实现圆极化辐射场，反映在史密斯圆图中，对应阻抗曲线会出现一个尖端。基于这一原理，微带天线实现圆极化方法大致可以从馈电方法，辐射片外形上区分，如图1所示。图1 微带天线单元的基本圆极化方式圆极化天线的基本电参数是最大增益方向上的轴比，它将决定天线的极化效率以及天线极化纯度的交叉极化鉴别率。轴比不大于3dB的带宽，定义为天线的圆极化带宽。针对这一基本的圆极化天线电参数指标，研究机构基于传统空腔模型4对天线性能的理论分析，借助矩量法(MoM )和时域有限差分法(FDTD)等数值方法，以及大型商用电磁分析软件地深入运用，找到了许多切实有效的办法2：表面开槽、多馈电口径耦合、共面波导馈电、加载切片电阻等。此类办法无论是馈电方式、辐射体结构还是材料的应用，均是基于前述的原理，这为工程实际的问题解决提供了多样而有效的参考。实际应用中，采用了图2所示的结构。图2 实际应用的圆极化微带天线单元结构2.2.2 宽波束方向图设计在形成宽频带圆极化的同时，需要兼顾在低仰角增益。普通微带天线的低仰角增益在- 7- 5 dB 之间。要在不使圆极化性能恶化的前提下，展宽微带天线波束,提高低仰角增益,是微带天线的一个研究热点。采用高介电常数介质、微带高次模天线、沿角锥面布阵、四元微带圆环缝隙阵等均是展宽微带天线波束、提高低仰角增益的方法。宽波束方向图设计需要综合宽频带圆极化方式来完成，图2的结构形式中，为了实现下层印制板缝隙的耦合，对上层接地覆铜层进行了去除，这就使得设计为介质微带天线，得到较理想低仰角增益提供了可能。如图3所示介质微带天线的结构与普通微带天线基本相同,仅将普通微带天线的介质层沿x 和y 轴延伸，当能量馈入天线后,一部分由微带贴片直接辐射,另一部分沿介质传播，在其末端辐射，整个天线的辐射由这两部分的辐射叠加而成。由于微带天线在法向方向辐射最强，而介质天线在切线方向辐射最强，因此在垂直和水平方向都有较强的辐射，具有很宽的波束，可以在上半空间提供较均匀的覆盖。图3 介质微带天线结构2.2.3 小型集成化设计在保证天线电气性能的同时，另一项重要影响因素不可忽略，即空间尺寸的限制问题。多功能无线系统对应天线的窗口尺寸为120120mm，由于天线防护罩本身有一定厚度，且天线内嵌于飞行器壁内，实际留给天线的平面空间也就110mm见方，如图4所示。按照传统1/2介质波长尺寸，不可能实现在110mm见方的普通微带板上放置三个天线的辐射贴片，必须采取措施进行小型化集成设计。图4 天线防护罩示意图如上所述，半波长结构的圆极化微带辐射体的通常为，工作在以TM01和TM10模为基础的谐振频率上，辐射体尺寸通过下式决定： （1）式中：f为工作频率，c为光速，L为辐射体尺寸， 为介质基片的介电常数。 从式中可以看出，相同频率条件下，提高介质板的相对介电常数是解决尺寸问题的直接选择。但高介电常数存在高Q值问题，它会使微带天线激励起表面波，从而导致效率下降、带宽变窄，这与我们的设计目标-宽频带产生冲突。但如果在设计实现很好的折衷，这一途径就是可取的。如图5所示，就是文献2借助于腔模理论和传输线模型的深入分析，在辐射体结构形式上进行的微带小型圆极化天线设计。图5 小型圆极化微带天线结构形式2.2.4 收发隔离度设计多套无线系统共存时，收、发频率相近，且有的极化相同，怎样有效通过天线的空间布局避免干扰，为后端系统降低抗干扰压力，也是设计工作的一项重点。依据空腔模型(Cavity Model)，单个微带辐射贴片等效为相距半介质波长的两个辐射缝隙，将设计中所有微带辐射贴片均等效为由这些双辐射缝隙组成的阵列，将天线贴片间距S作为变量，各单元之间的互耦等效为这些双缝隙辐射元间的互耦，如图6（a）所示。通过微带天线传输线模型计算微带天线本身自阻抗后，利用空腔模型求得等效腔体边缘面上的电场及其等效磁流分布，并将微带天线间的互耦等效为这些磁流源间相互作用的叠加，即可求得天线相互间的互阻抗和互耦系数3。由计算所得结果判断天线隔离度是否满足指标要求。图6（b）所示为在特定介电常数下计算出的端口隔离度。图6 隔离度的确定3 天线的实现天线是通过在介质基板接地面中心上开设十字交叉缝隙，并在基板另一侧，与十字交叉缝隙中心等距处给缝隙四臂馈电来实现的。在下层介质基板的底面中心的十字裂缝激励片为第一次辐射，上层的贴片通过下贴片间缝隙耦合形成二次谐振，结构中上、下层的贴片采用低介电常数介质分隔，使波沿切向的辐射增大，而达到降低Q 值展宽频带的目的。在基板的另一侧为了保证实现圆极化（即交叉裂缝左右上下两者等幅、相位相差90度馈电），用一个左右、上下臂互为反对称馈电（即相位差180度）的微波网络与十字裂缝四臂的馈电输入端相连，四个输出端口