HFSS天线论 2009天线年会论 3-3

用于WLAN的多频印刷单极子天线凡守涛 尹应增 王耀召 李勤毅（西安电子科技大学 天线与微波技术国家重点实验室，西安 710071）摘 要：本文了设计了一种应用于无线局域网通信的多频印刷单极子天线。天线采用微带线馈电，辐射体部分为双层倒置的等腰梯形。等腰梯形这种渐变式的片状结构可以有效的增加天线带宽，仿真和实测结果表明天线的频带范围为2.2-2.75GHz和4.75-6.75GHz。这样，天线不仅可以工作于IEEE 802.11 规定的2.45G（2.4-2.484 GHz）、5.2G（5.15-5.35 GHz）或5.8G（5.725-5.825 GHz）的无线局域网通信频段范围，而且可以应用在中心频率为2.45G或5.8G的射频识别（RFID）通信领域中。另外，天线在各工作频点处具有良好的方向性。关键字：印刷单极子，多频天线，无线局域网，射频识别Multi-Band Printed Monopole Antenna for WLAN ApplicationsFan Shoutao Yin Yingzeng Wang Yaozhao Li Qinyi（National Key Laboratory of Antennas and Microwave Technology, Xidian University, Xian 710071）Abstract: In this paper, a new and simple multiband printed monopole antenna for wireless local area network（WLAN）applications is demonstrated. The antenna is composed of a double inverse trapezium element and a 50 ohm microstrip feeder. The prototype of double inverse trapezium can enhance the operation bandwidth which covers 2.45, 5.2, and 5.8 GHz WLAN bands. Not only the antenna suitable for WLAN applications but also for Radio frequency identification (RFID) systems. In addition, good omnidirectional radiation patterns have been obtained.Keywords: Printed Monopole, Multiband antenna, WLAN, RFID91 引言随着室内高速无线数据接入技术的发展，无线局域网（WLAN）通信技术引起了无线通信领域的极大关注。与此同时，覆盖WLAN通信频段2.45G/5.2G/5.8G的多频天线的设计成为了天线领域研究的热点。科技进步也对天线设计提出了新的要求，如低剖面、低损耗、多频工作以及易于集成等。在各种各样的天线形式中，印刷单极子天线以其体积小、成本低、结构简单、易于加工和易于实现多频工作等特点在无线通信领中得到了广泛的应用1,2,34,5。印刷单极子天线，通过构造不同谐振长度的辐射体，易于实现双频或多频工作。无论是文献1中的“L”形天线，文献2中的“双T”形天线，文献3中的“G”形天线还是文献4给出的“P”形天线等皆是如此。但是，这些天线仅能实现双频工作。本文将在双频天线的基础上，通过展宽带宽的方法，使原有的双频天线实现三频工作，来满足当前WLAN三频工作的要求。2 天线设计与分析Antenna1的结构如图1所示，天线由微带馈线和覆在介质板表面的矩形辐射贴片两部分组成。介质材料选用FR-4，相对介电常数为4.4，厚度为1.6mm，介质基板长为42mm，宽为30mm。微带线馈线长14.6mm，宽2.91mm；主辐射贴片部分的长24mm，宽3.3mm。在主辐射贴片上高7.4mm处有一段长5.15mm宽2mm的枝节，该枝节可以用来调节天线谐振的高频工作点。Antenna2得结构如图2所示，其外形尺寸和微带线馈线部分与Antenna1相同，主辐射贴片长27.1mm，宽3.3mm。在主辐射贴片上高7.3mm处的两边对称的添加长3.85mm宽2.4mm枝节。这样的两段枝节同样可以起到调节天线谐振的高频工作点的作用。图1 Antenna1结构示意图（单位：mm）图2 Antenna2结构示意图（单位：mm）Antenna1和Antenna2的结构也是典型的双频天线结构形式，通过构造出不同长度的谐振路径来实现不同的谐振频率。两天线的驻波特性曲线如图3所示。可以看出两天线的工作频带范围分别为2.2-2.7G/5.0-5.5G和2.2-2.65G/4.95-5.5G，均满足802.11标准所规定的WLAN的2.45G/5.2G频带范围。图3 Antenna1和Antenna2的VSWR特性曲线上述Antenna1和Antenna2，以及文献1、 2和3中给出的天线1,2,3，均只能满足WLAN常用的三个频段（2.4G、5.2G和5.8G）中的两个（2.4G和5.2G）。为了设计一个能同时工作在WLAN三个频段内的天线，我们采用等腰梯形渐变式片状结构做天线的辐射片，如图4所示的Antenna3，这种结构可以有效的展宽天线的工作带宽。天线的驻波特性曲线如图5所示，Antenna3的工作频带范围为2.2G-2.75G和4.75G-6.75G，覆盖了WLAN所要求的三个频段。Antenna3分别工作在2.45G、5.2G和5.8G时的方向图特性曲线如图6所示，在各要求的工作频点处，天线具有良好的方向性。图4 Antenna3结构示意图（单位：mm）图5 Antenna4的VSWR特性曲线（a图为天线工作在2.45G时的E面和H面方向图；b为天线工作在5.2G时的E面和H面方向图；c为天线工作在5.8G时的E面和H面方向图）图6 Antenna4的方向图特性曲线天线的实物照片如图7所示，左侧为天线正面俯视图，右侧为天线背面俯视图。图7 天线实物照片3 结论本文设计了一种应用于WLAN通信的多频印刷单极子天线，通过采用倒置的双等腰梯形辐射结构来展宽天线的工作带宽。仿真和测试结果均表明本文提出的天线可工作于WLAN要求的2.4-2.484GHz、5.15-5.35GHz和5.725-5.825GHz多个频段。并且，在规定的工作频点上天线具有良好的方向特性。参 考 文 献1Yi-Fang Lin, Horng-Dean Chen, and Hua-Ming Chen, A dual-band printed L-shaped monopole for WLAN applications, microwave and optical technology letters/ Vol. 37, No. 3, May 5 2003, 214-2162Yen-Liang Kuo and Kin-Lu Wong, Printed double-T monopole antenna for 2.4/5.2 GHz dual-band WLAN operations, IEEE Trans Antennas Propag 51, 2003, 218721923Chien-Yuan Pan, Chien-Hsiang Huang, and Tzyy-Sheng Horng, A new printed G-shaped monopole antenna for dual-band WLAN applications, microwave and optical technology letters/ Vol. 45, No. 4, May 20 2005, 295-297.4Hanhua Yang and Shu Yan, A novel P-shaped printed monopole antenna for RFID applications, microwave and optical technology letters/ Vol. 51, No. 2, February 2009, 554-556.5Yue Song, Yong-Chang Jiao, Hui Zhao, Zheng Zhang, Zi-Bin Weng, and Fu-Shun Zhang, Compact printed monopole antenna for ultiband wlan applications, microwave and optical technology letters/Vol.50, No.2, February 2008, 365-367作者简介：凡守涛，男，硕士研究生，主要研究领域为天线工程与CAD、微波射频电路与系统等。尹应增，男，教授、博士生导师，主要研究领域为天线工程与CAD、微波射频识别技术、微波射频电路与系统等。王耀召，男，硕士研究生，主要研究领域为天线工程与CAD、微波射频识别技术等。李勤毅，男，硕士研究生，主要研究领域为平面微带反射阵天线、宽频带小型化微带天线等。毫米波双平板微带反射阵列天线设计陈毅乔 官正涛(中国电子科技集团公司第十研究所，四川 成都 610036)摘 要：本文设计了一个毫米波频段的双平板微带反射阵列天线。全波仿真结果表明，在与微带单反射阵列天线电性能基本相同的情况下，双反射阵列天线还具有纵向尺寸减半的优点。关键词：微带，反射阵，毫米波，双平板The Design of Millimeter-Wave Dual Planar Microstrip Reflectarray Antenna Chen Yiqiao Guan Zhengtao (The 10th Research Institute of Electronics Technology Corporation of China, Chengdu 610036)Abstract: A millimeter-wave dual planar microstrip reflectarray antenna is designed and simulated in this paper. The simulation result indicates that the dual planar microstrip reflectarray antenna has the almost equal electric performance and just half of the length, compared with the single planar microstrip reflectarray antenna.Keywords: microstrip, reflectarray, millimeter-wave, dual planar1 引言平面微带反射阵天线采用空馈形式，天线效率大大增加，并且保持了微带阵列天线的大部分优点，具有结构简单，重量轻，成本低和批生产性好等优点，近年来其受到了广泛的关注。与传统的抛物面天线相同，平面微带反射阵天线也具有纵向尺寸较大的缺陷，从而在一定程度上限制其发展和运用。为了降低平面微带反射阵天线的纵向尺寸，近年来提出了一种双平板反射微带阵列天线形式。1双平板反射微带阵列天线不仅能有效地降低了天线的纵向尺寸（一般为平面反射微带阵列天线的50%），并且可以通过其特殊的双平板结构，进一步现实多波束及波束赋形等功能。2-4双平板微带反射阵列天线还可以与天线罩结合，实现天线罩-天线的整体设计，在降低了天线罩设计难度的同时，也进一步减小了天线分系统的总体尺寸。下面将介绍双平板反射微带阵列天线的基本原理和设计方法，并进行实例设计和仿真结果分析。2 基本原理双平板反射微带阵列天线，由辐射馈源及两块反射平板所构成，其结构如图1所示。这两块反射平板分别为金属栅条反射板和微带贴片反射板，其对入射波分别具有不同的反射效果。微带贴片反射板具有空间相位补偿和极化扭转的功能，而金属栅条反射板则可对不同极化的波实现全反射或全透射。图1 双平板反射阵列天线结构图2.1 空间相位补偿与传统的微带反射阵列天线相同，反射口径面的存在空间相位差，须通过微带反射板的各离散反射单元对入射波进行空间相位补偿，实现反射波在口径面具有相同的相位。各单元的反射相位由反射单元的尺寸确定。因此，采用不同尺寸的反射单元组成的微带反射板即可实现空间相位补偿。2.2 极化扭转微带反射板，不仅具有空间相位补偿的能力，还能对入射波的极化方向进行扭转。电磁波入射微带反射板，且电场极化方向与贴片各边成45o夹角。适当地选择微带贴片的边长w和d，使和分量的反射相位相差180o，从而反射场的极化方向产生了90o的极化扭转，如图2所示。2图2 单元极化扭转原理图2.3 栅条板的反射和透射双平板微带反射阵列天线中，栅条反射板对从馈源直接辐射的电磁波产生全反射，天线的结构可用镜像的方式进行等效。电磁波经微带反射板，电场极化方向将产生900的扭转，栅条反射板对该种极化方向的波将会全透射。因此，栅条反射板的栅条方向应与馈源的电场极化方向平行。双平板微带反射阵列，其馈源产生的辐射波经栅条反射板和微带反射板之后，可形成与普通微带反射阵列相同的口径场分布，仅是电场极化方向产生900扭转，其辐射性能不会发生变化。但是，双平板微带反射阵列的纵向尺寸却减小为了原来的一半。3 设计方法双平板微带反射阵列天线，在对反射面尺寸、焦径比、馈源等的设计时，与反射抛物面天线的设计基本相同。在此，只对双平板微带反射阵列天线设计中，与传统反射面设计不同的关键步骤进行介绍。3.1 相位关系的提取微带反射阵列天线是利用不同尺寸的单元其反射场的相位也不同来实现的。因此，准确的提取反射相位值与反射单元尺寸之间的关系是微带反射阵列天线设计的关键。相位关系的提取通常采用数值方法计算得到，如MOM，FDTD等，由于单元成周期性分布，因此还须对单元分界作特殊的处理。由于矩形贴片具有对称性，因此只用对两种极化（和）中的一种进行相位关系提取，另一极化的情况可通过对称关系得到。得到反射相位与单元各边尺寸（宽边，长边）之间的关系后，可以用插值的方式得到能够实现极化扭转的一组单元尺寸。该组单元对两种极化反射相位相差均为180o，即-= 180o。其中，=(w=c1, d=c2)，=(w=c2,d=c1)。3.2 确定单元尺寸馈源位于F点，为选取的参考单元，为需进行空间相位修正的单元，为馈源到参考单元相位参考点的波程，为馈源到参考单元中心的波程，如图3所示。单元所需修正的相位差为： （1）再令，并根据处理后得到的反射位相与单元尺寸关系，即可得到各单元的结构尺寸。图3 平面反射阵相位修正示意图3.3 确定栅板尺寸栅条反射板应置于微带反射板上方F/2的位置，栅条的方向应与馈源的电场极化方向平行。栅条反射板对平行于栅条的极化波为全反射，要求其透射系数-20dB；对垂直于栅条的极化波为全透射，要求其反射系数-20dB。4 设计结果及分析以35.5GHz为中心频点，设计一ka波段的双平板反射阵列天线。根据波束宽度和天线增益的要求，选择微带反射板的直径为84.5mm，并选择介电常数=2.2，厚度t=0.381mm的介质基板。天线的焦径比F/D取为0.5，馈源采用圆锥喇叭，口面直径为10.6mm。单元间距选择为3.8mm ,即0.45。并采用波导方法（WGA）5对中心频点的反射相位与反射单元尺寸的关系进行提取，结果如图4所示。运用Matlab编写简单的插值程序，对反射相位关系进行处理，得到能够实现极化扭转的一组单元尺寸。该组单元尺寸能够实现的反射相位的范围为335o，存在最大12.5o的相位误差。该反射单元的方向图具有较宽的波束，其E面、H面的半功率波瓣宽度均为92 o。图4 反射相位与反射单元尺寸的关系图由公式(1)计算各单元的补偿相位值，再根据处理后的反射相位关系，确定各单元对应的尺寸大小。微带反射板的中心需要进行开孔，用于放置馈源喇叭，该反射阵列共有320个反射单元，其结构如图5所示。选择与微带反射板相同的介质基板用于栅条板，且栅条的宽度为0.1mm，栅条的间距为0.5mm。在此结构下，该栅条反射板、均能满足小于-20dB的要求。采用CST对设计的双平板微带反射阵列天线进行全波仿真，该模型的结构如图6所示。图5 微带反射板结构图图6 天线结构模型图通过仿真得到中心频点的方向图，并将双反射微带阵列天线与同口径尺寸的单反射微带阵列天线的结果进行比较，其结果如图7、图8所示。图7 E面方向图的结果比较图8 H面方向图的结果比较双反射微带阵列天线，中心频点的增益为26.1dB，E面副瓣电平为-20.8dB，E面波束宽度为7.4o；H面副瓣电平为-19.4dB， H面波束宽度为7.3o。由于栅条反射板的影响，口径面的相位分布将产生一定的偏差。因此，双反射微带阵与单反射微带阵相比，增益下降了约0.4dB，E面、H面的波束宽度分别展宽了0.3度和0.4度；E面、H面的副瓣电平分别有1.0dB和1.4dB的恶化。5 结论在相同口径的条件下，双平板微带反射阵列天线能够达到与微带单反