用于ISM/UNNI频段的新型双频单极子天线设计

(空军工程大学 导弹学院,陕西 三原 713800)

1 引 言

随着无线通信技术的发展，无线局域网的便携式移动终端逐渐成为各种商务应用的主体。在众多的无线协议中，蓝牙技术和Home RF已占据了重要的地位，这主要得益于它们工作于无需申请的、全球通用的工业、科学和医疗(Industrial Scientific and Medical，ISM)频段(2 400～2 483.5 MHz)；但该频段只有83.5 MHz带宽，限制了数据传输速度。为了满足室内和短距离通信需要，IEEE 802.11a和HiperLan建议使用带宽为200 MHz、频带范围为5.15～5.35 GHz的UNNI(Unlicensed National Information Infrastructure)频段[1]。因此，设计出工作在ISM和UNNI频带的双频天线具有重要的实用价值。

近年来，微带天线由于其重量轻、剖面低、易于与其它电路集成而受到广泛的关注和研究。一般地，实现多频工作的方式可以概括为多模正交[2]、多层贴片[3]、阻抗加载[4]3种。多模正交天线可在不同的频率上激励起相互正交的谐振模，有利于与单一的馈电结构同时匹配[5]，但是其频率比常常受到基片尺寸的限制。多层贴片天线一般是利用低频工作的辐射单元作为高频工作辐射单元的地面[5]，虽然增益较高但是由于上下层贴片之间的强烈耦合，分析和设计起来往往比较麻烦，且仅适用于小频率比工作。

平面单极子天线近年来倍受广大天线工作者关注，文献[6]提出了一种工作在2.4 GHz ISM频段的T型单极子天线，分析了天线尺寸对天线性能的影响并制作出相对带宽为16.33%的天线模型。本文在其基础上加载了一条水平辐射臂，根据自相似理论[7，8]，新添加的水平臂与垂直臂组成自相似的T型辐射带，引入新的工作频率，并且电特性应与原始工作频率相似。利用商业仿真软件Ansoft HFSS对加载后的天线端口回波损耗进行了仿真计算。在分析天线谐振频率随结构参数变化关系的基础上，制作了同时工作于ISM和UNNI频段的天线实物，理论和实测结果吻合良好，符合工程实际应用。仿真和实测结果表明，该天线频率比在1.67～2.67范围内可调，两个工作频率的电特性保持一致。

2 天线结构与设计

图1(a)为文献[5]所提的T型单极子天线结构，本文天线结构如图1(b)所示，整个天线单元单面印制在介电常数εr=4.3、厚度h=1 mm、介质损耗角正切tanδ=0.002的环氧玻璃布板上，基板面积为34.9 mm×28 mm，天线由50 Ω无地共面波导(UG-CPW)直接馈电，W=5.8 mm,g=0.4 mm。图中深色部分为金属，浅色部分为介质。ds用来调节阻抗匹配，Wh1、Wh2、Wv的变化不影响工作频率[5]，取Wh1=Wh2=Wv=4 mm,两个水平臂的长度和到馈电端距离是影响工作频率的重要参数[5]。因此，本文将重点就Lh1、Lh2、Lv1、Lv2的变化对频率的影响展开讨论和分析。为了便于与文献[5]比较，取Lv1=19.9 mm，那么对于Lv2的变化可以用一个参数dL来描述，dL表示加载的水平臂到原始水平臂的垂直距离，这样就简化成考察工作频率随Lh1、Lh2、dL变化的关系。

(1)当Lh1=Lh2=7.6 mm时，S11随dL变化的关系如图2所示，说明随着dL的增加，高端频率逐渐下降，低端工作频率不受其影响，频率比稍有下降。

(a)文献[5]提出的天线结构

(b)本文天线结构

图2 S11随dL变化的关系Fig.2 S11 as dL′s change

(2)当Lh1=7.6 mm、dL=8 mm时，S11随Lh2变化的关系如图3所示，说明随着Lh2的增加，高端频率逐渐下降，低端工作频率不受其影响，频率比下降明显。

图3 S11随Lh2变化的关系Fig.3 S11 as Lh2′s change

(3)当Lh2=7.6 mm、dL=8 mm时，S11随Lh1变化的关系如图4所示，说明随着Lh1的增加，高端和低端工作频率同时下降，且下降幅度保持一致，频率比随之上升。

图4 S11随Lh1变化的关系Fig.4 S11 as Lh1′s change

3 天线制作与测量

制作了同时工作于ISM/UNNI频段的天线实物模型，天线部分尺寸为：Lh1=17.4 mm，Lh2=14.4 mm，Lv1=23.8 mm，Lv2=14.8 mm，ds=0.8 mm，Gw=9.2 mm，Gl=10.7 mm。实物照片如图5所示，回波损耗S11的测试结果与仿真结果比较如图6所示，方向图测试结果如图7和图8所示。

图5 ISM/UNNI双频天线实物照片Fig.5 Photograph of ISM/UNNI dual-band antenna

图6 S11仿真结果与测试结果比较Fig.6 Measured and simulation results of S11

(a)φ=90°

(b)φ=0°图7 2.4 GHz时天线方向图Fig.7 Measured results of radiation patterns at 2.4 GHz

(a)φ=90°

(b)φ=0°图8 5.2 GHz时天线远场方向图Fig.8 Measured results of far field radiation patterns at 5.2 GHz

由图6可知，天线回波损耗的仿真结果和测试结果基本吻合，测试结果的两个工作频点均向高端有大约30 MHz的偏移，应是加工不精确和焊接影响造成的。由图7和图8可知，天线在两个频点上的方向图基本一致，最大辐射方向均位于0°和180°方向，保持了传统单极子天线的辐射特性，说明了该双频天线具有良好的应用空间。

4 结束语

本文提出了一种由无地共面波导(UG-CPW)馈电的新型双频天线，研究了天线尺寸对工作频率的影响，制作了一种应用于ISM/UNNI双频工作的天线实物模型，测试结果与仿真结果吻合良好，在保持传统单极子天线辐射性能的基础上，展宽了低频段的带宽，比文献[5]中天线的相对带宽提高了4.95%。该天线结构简单、单面印制、便于安装，且频率比在1.67～2.67范围内可调，而文献[9]提出的H型双频天线频率比仅为1.716～2.363。因此，该天线在双、多频领域具有广阔的应用前景。

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