张克生

江苏安全技术职业学院

0 引言

近年来，随着无线通信技术的广泛应用，小型化、多频带天线因其节省系统空间、减少天线数量而受到越来越多的关注。对于一个无线系统而言，在需要两个或多个频带的情况下访问多个业务是有利的。无线局域网（Wireless Local Area Network，WLAN）和全球微波接入互操作（Worldwide Interoperability for Microwave Access，WiMAX）技术广泛应用于无线通信设备，通常需要双频或多频天线，以适应这些设备的多种需求。为了满足IEEE 802.11标准中WLAN 2.5/5.2/5.8 GHz和WiMAX 2.6/3.5/5.5 GHz频段的带宽要求，该多频段平面天线同时具有低轮廓和重量、低成本、体积小、易于与其他电路集成和更高的性能，当然需要覆盖所有这些工作波段的不同标准。

当前已有一些小型化和多频天线的实现方法。在减小天线尺寸方面，使用弯曲技术和负载电容器或电感。多频带天线设计也有不同的实现方式，如蚀刻各种槽，增加多个谐振臂，采用特殊馈电技术。Ali等人介绍了一种用于WLAN应用的小型化双频平面印刷天线。通过在矩形辐射贴片上蚀刻一个方形槽来实现天线的小型化，通过加载两个对称的l形槽和一对窄缝来获得天线的双频特性。Qian等人报道了3种应用于无线通信的多工作频段微带缝隙天线。通过加载具有多个谐振频率的不同谐振器，天线获得了不同的多次谐振。通过使用缝隙单极子和复合的右手/左手传输结构，提出了一种用于GPS/WLAN/WiMAX应用的非对称共面波导馈电的四波段天线。El-Kham等人设计了一种采用分形树结构的多频带平面天线。天线的仿真结果表明，通过改变树形结构的数量可以调节谐振频率的数量。

虽然在小型化和多频段方面已经取得了一些进展，一些天线仍然受到复杂结构的影响，一些天线辐射模式或增益不够稳定的。因此，需要一种结构简单、辐射特性良好的小型化多频带天线，覆盖所需的WLAN和WiMAX频段。本文在平面单极子天线工作原理基础上，采用S型、U型和L型弯曲枝节分别实现2.5 GHz，3.5 GHz和5.5 GHz三个频段的谐振，从而实现了小型化、三频段单极子天线设计。仿真结果表明，所设计天线在该三个频段具有良好的全向辐射特性，可应用于WLAN/WiMAX移动终端系统中。

1 天线结构与设计

天线结构如图1所示，印制在相对介电常数为4.4、厚度为0.8 mm的FR4基板上，三个枝节分别工作与三个不同频段。利用单极子天线工作原理，计算出各个频段对应的枝节初始长度。为了缩小天线尺寸，实现小型化，低频2.5 GHz频段采用S型弯曲枝节，中频3.5 GHz频段采用倒U型弯曲枝节，而高频5.5 GHz则使用常规的L型枝节。

图1 天线结构

天线的设计过程如图2所示，对每个频段对应的枝节进行单独仿真分析，得到单频单极子天线的回波损耗如图3所示。由图3可以看出，天线1工作于2.5 GHz频段，同时在7 GHz处产生谐振；天线2和天线3则分别工作与3.5 GHz和5.5 GHz频段。不足之处在于低频和中频段的工作带宽有待扩展。

图2 天线设计过程

图3 三个单频天线的回波损耗

2 仿真结果分析

通过将三个单频单极子天线的枝节连接在一起，从而实现了三频单极子天线设计，天线结构如图1所示。为了验证该天线的工作原理，仿真分析了2.5 GHz，3.5 GHz和5.5 GHz的谐振频率处辐射枝节上的面电流分布，其结果如图4所示。由图4（a）可以看出，天线工作于2.5 GHz时，表面电流分布在S型枝节上；图4（b）则显示倒U型枝节产生了3.5 GHz的谐振频率；图4（c）则表明5.5 GHz频带谐振于L型枝节。不同工作频率下面电流分布特征与设计思路十分吻合。

图4 不同频率时辐射枝节上的面电流分布

在以上分析设计和参数扫描基础上，实现了小型化三频单极子天线设计，其结构参数分别为：V=40 mm；L=14 mm；L1=4.25 mm；L2=7 mm；T1=8 mm；T2=5 mm；T3=7 mm；R1=16.25 mm；R2=2 mm；R3=6 mm；S=11 mm。天线的回波损耗如图5所示。由图可以看出，天线回波损耗在-10 dB以下频率部分分别为2.46～2.62 GHz，3.38～3.70 GHz，5.16～5.89 GHz。天线在2.5 GHz、3.5 GHz、5.5 GHz中心频段的带宽足够宽，能满足WLAN/WiMAX系统中移动终端的天线带宽要求。

图5 所设计天线的回波损耗

所设计天线在2.5 GHz，3.5 GHz和5.5 GHz频率处的远场辐射方向图如图6所示，由图可知，频率为2.5 GHz时，天线的辐射方向图在E面近似圆形，而在H面为哑铃状；频率为3.5 GHz和5.5 GHz时，天线的辐射方向图在H面接近圆形，在E面为哑铃状，均表现出良好的全向辐射特性，能较好地满足移动终端天线的通信需求。

图6 天线的辐射方向

3 结束语

在单极子天线工作原理基础上，利用S型、U型和L型弯曲枝节分别谐振于2.5 GHz，3.5 GHz和5.5 GHz三个频段，实现小型化。仿真研究了不同频率处辐射枝节上的面电流分布，其分布特征与设计思路非常吻合。仿真分析了天线的工作频带和远场辐射方向图，结果表明，所设计天线能较好地谐振于2.5 GHz，3.5 GHz，5.5 GHz三个频段，且均能形成全向辐射特性，符合WLAN和WiMAX系统中天线的带宽和方向图覆盖要求，且具有结构简单的特点，可应用于移动终端系统中。