新型CPW馈电倒S型双频天线

 1 引言

在无线局域网通信系统中，基于节约成本的考虑，为能在同一天线上实现2.402GHz—2.482GHz(IEEE802.11b/g)和5.15GHz—5.87GHz(IEEE802.11a)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。双频单极子，但它们共同的缺点是阻抗带宽比较窄。文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。一种CPW馈电的平面倒F天线(PIFA)，但结构较复杂且尺寸还是较大。

本文给出了一种新型的应用于无线局域网的倒S型CPW馈电双频天线，天线的整体结构尺寸为20×16.5×1.6mm3。在Bluetooth/WLAN频段内达到频带工作要求，且辐射方向图符合全向性。

2天线设计

图1为双频印刷单极子天线的结构图。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倒S型，采用CPW馈电方式。天线的结构尺寸采用基于有限元的全波仿真软件HFSS优化得到。倒S型天线采用CPW馈电，CPW结构的中心馈线尺寸Wf为2mm，槽宽g为0.2mm，刚好为标准的50W共面波导。在CPW中间信号线两侧两个有限的地面的尺寸Lg×Wg都为8×7mm2。天线的主辐射单元是一个类似于倒S的结构，整个倒S由6条带线组成，他们的尺寸如下表所示：

N

1

2

3

4

5

6

L（mm）

8

6.5

8.5

2.5

5.5

6.5

W（mm）

1

2

2

2.5

1.5

1

倒S离地面的距离，即l5与地面的距离S，会影响到5GHz的频段宽度及辐射方向图，通过HFSS优化得到S为1mm。

倒S型天线单元有两个不同的谐振路径，分别为L1等于I1+ I2+ I3+ I4和L2等于I5+ I6。这两个不同的路径长度L1,L2分别接近2.4GHz和5.2GHz的五分之一波长。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5.2GHz的频带宽度。通过调节l4的长度，可以有效的展宽2.4GHz频段的宽度。通过调节S的大小，可以有效的展宽5.2GHz频段的宽度。

(a)

(b)

(a) 俯视图 (b)前视图

图1 天线的几何结构图

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22.08%(2.2GHz-2.73GHz，中心频率为2.41GHz)和22.7%(4.65GHz-5.93GHz，中心频率为5.65GHz)。满足双频WLAN应用所需的频段要求。

图2 实物图

图3 天线的测量与仿真回波损耗 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1.65dBi;图7(b)为5GHz频段的增益频响曲线，增益的最大值为6.1dBi.

(a) xoy 面

(b) xoz面

(c) yoz面

图4 天线2.4GHz辐射方向图

(—co-pol,----cross-pol)

(a) xoy面

(b) xoz面

(c) yoz面

图5 天线5.2GHz辐射方向图

(—co-pol,----cross-pol)

(a)xoy面

(b) xoz面

(c) yoz

图6 天线5.8GHz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应用于无线局域网的新型小型化CPW馈电倒S型双频天线。该天线具有结构尺寸小、低成本、低剖面等特点。另外，由实测结果表明，该天线工作带宽很宽，覆盖了Bluetooth/WLAN工作频段，且辐射方向图满足全向性要求。由于仿真与实测结果一致，所设计的天线可以实际应用于无线局域网通信系统。