小型化CPW馈电G型双频天线设计
1 引言
近年来，随着无线局域网技术迅猛发展，双频及多频工作的天线日益受到重视。由于无线局域网(WLAN)开放的频段，在无线通信技术中有着非常重要的应用。为了能在同一天线上实现2.402GHz—2.482GHz(IEEE802.11b/g)和5.15GHz—5.87GHz (IEEE802.11a)的频段覆盖，双频或多频天线应运而生。CPW结构具有工作频带宽、单一金属层、易于与有源设备或MMIC集成等优点，CPW馈电的天线已被很多人设计应用于无线局域网通信。介绍了多种双频单极子，但它们共同的缺点是阻抗带宽比较窄。天线需要一短路探针连接地面和印刷单极子，这样增加了设计的复杂性以及制作成本。
本文给出了一种小型化的应用于无线局域网的CPW馈电G型单极子双频天线。天线的整体结构尺寸为22×18.5×1.6mm3，约为文献[5]的1/5、文献[6]的2/9。在WLAN(分别为2.402GHz-2.482GHz (IEEE802.11b/g)和5.15GHz-5.87GHz(IEEE802.11a))频段内达到频带工作要求，且辐射方向图满足全向性
2 天线设计与仿真
图1为双频G型天线的结构图。介质基板为FR4，厚度为1.6mm，介电常数为4.4。天线的辐射单元类似于G型，采用CPW馈电方式。天线的结构尺寸先采用基于有限元的全波仿真软件HFSS优化得到。G型天线金属条带宽度为2mm，与CPW馈电结构的中心信号线尺寸一致，CPW结构的槽宽为0.2mm，刚好为标准的50欧姆共面波导。天线整体优化后得到的天线尺寸为：l1=5mm,l2=10.5mm,l3=11mm,l4=4.5mm,l5=7mm,l6=4mm,W_sub=18.5mm,L_sub=22mm。
(a)
(b)
图1 天线的几何结构图(a) 俯视图 (b)前视图
G型天线单元有两个不同的谐振路径，分别为l路径L1等于l1+ l2+ l3+l4和路径L2等于l5 + l6。这两个不同的路径长度L1,L2分别接近2.4GHz和5.2GHz的四分之一波长。通过调节L1的长度使天线谐振于2.4GHz工作频段，同样的通过调节L2的长度使天线谐振于5.2GHz工作频段。另外，通过全局优化天线的结构尺寸(l1,l2,l3,l4,l5,l6，S)可以改善2.4GHz和5GHz的频带宽度。通过调节l6的长度，可以有效的展宽5GHz频段的宽度。通过调节l4的长度，可以有效的展宽2.4GHz频段的宽度。另外，通过适当调整两个谐振路径的相对位置，可以改善天线的辐射特性。
3 实验结果及讨论
图2为制作的天线实物。使用Agilent E5071B网络分析仪天线的回波损耗进行了测量，结果如图3所示。图中同时给出了仿真计算曲线，可见，两者在工作频段内吻合的较好。测量得到的在2.4GHz和5GHz的-10dB测量阻抗带宽分别为22.9%(2.17 GHz -2.72GHz，中心频率为2.42GHz)和50.9%(5.0GHz-7.85GHz，中心频率为5.60GHz)，满足双频WLAN应用所需频段要求。
在2.4GHz、5.2GHz和5.8GHz三个频点上测量得到的辐射方向图分别如图4、图5和图6所示。可以清楚的看出，在三个频点上的辐射方向图都类似全向性。在yoz面，在2.4GHz、5.2GHz和5.8GHz 的辐射方向图更接近于全向性。图7为天线的测量增益，图7(a)为2.4GHz频段的增益频响曲线，增益的最大值为1.56dBi;图7(b)为5GHz频段的增益频响曲线，增益的最大值为4.8dBi.
图2 天线实物图
图3 天线的测量与仿真回波损耗
(a) xoy面
(b) xoz面
(c) yoz面
图4 天线2.4GHz时的辐射方向图
(—co-pol,----cross-pol)
(a) xoy面
(b)xoz面
(c)yoz面
图5 天线5.2GHz时的辐射方向图
(—co-pol,----cross-pol)
(a) xoy面
(b) xoz面
(c) yoz面
图6 天线5.8GHz时的辐射方向图
(—co-pol,----cross-pol)
(a)
(b)
图7 天线的测量增益频响曲线
(a)2.4GHz (b)5GHz
4 结论
本文设计并实测了一种小型化的CPW馈电G型单极子双频天线。该天线的主要特点是结构尺寸小，5GHz频段的工作带宽很宽。通过优化G型天线结构两个不同的谐振路径长度，可以方便的激起两种谐振模。
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