1 引言

隨著無線通信技術的迅速發展，低成本、小型化、易制作的多頻天線已經成為了現代無線通信系統中的重要的組成部分，并引起了人們的廣泛關注。中提出的四種雙頻組合天線的帶寬較窄，且尺寸較大；文獻[5-6]研究了多頻縫隙天線的設計，通過縫隙極子天線和微帶線的不同組合來實現多頻特性，但這類天線的尺寸同樣比較大，且高頻方向圖的全向性不好；微帶天線通過縫隙加載技術也能實現多頻天線的設計[7-8]，但需要短路針與地板相連接，使得天線結構復雜，加工困難。

中提出了一種終端開路的矩形環極子雙頻天線，但該天線的高頻帶寬太窄，不能覆蓋WLAN 5.8GHz工作頻段，而且高頻段的方向圖有所失真；為了增加天線的帶寬，文獻[10]提出了一終端加載的矩形環極子雙頻天線，通過在環終端加載一微帶線實現高頻段寬頻化設計，但該天線不能工作WiMAX3.5GHz 頻段。

為了進一步增加天線的帶寬，使天線能工作在WLAN 2.4/5.2/5.8GHz和WiMAX 2.5/3.5/5.5 GHz的全部頻段，同時又能實現天線的小型化設計，本文提出了一種矩形環極子和I形極子組合的雙頻天線結構。該天線由I形極子和環形極子輻射產生高低頻段，并實現雙頻寬頻帶特性。該天線不僅能應用在WLAN通信終端設備，還能工作在WiMAX終端設備，與文獻[1-10]中的天線相比較，具有明顯的優勢。

2 天線設計

天線的結構示意圖如圖1所示。該天線由一環形極子和I形極子組合而成，印制在一塊厚度為1.6mm、相對介電常數為4.4 的FR4印刷電路基板上。矩形環的尺寸為W₁×L₁、厚度為W₃，I形極子的長度為S+S₁+L₂、寬度為W₂，I形極子和環形極子的長度分別約為高低諧振頻率對應的1/4波長。該雙頻天線由共面波導饋電，50om微帶饋線的寬度為W_f ，與地板之間的縫隙為g，兩矩形地板的長為L、寬為W，并分布在饋線的兩邊。

圖1 天線結構圖

圖2 各天線的回波損耗（天線的尺寸為：L =16 mm, W=14 mm, W_f =2.5 mm, g=1 mm, S= 4 mm, S₁=2.1 mm, L₁ =19 mm, L₂ =7.5 mm, W₁ =11.5 mm, W₂ =4.5 mm, W₃ =2 mm, g₁=1.5 mm）

在天線的設計過程中，首先應用仿真軟件HFSS對天線進行初始化設計，先調整環形極子天線的參數使其工作在低頻段，再在環形極子內嵌入I形極子天線，調增相應的設計參數，產生雙頻寬頻特性。天線的設計參數和仿真的回波損耗由圖2所示，從圖2中可以看出，環形極子產生低頻頻段，I形極子產生高頻頻段；環形極子的長度S+L₁為諧振頻率2.9 GHz對應波長的0.18倍，而I形極子的長度為諧振頻率5.2GHz對應波長的0.24倍。

3 試驗結果與分析

為了驗證該組合雙頻天線設計方法的有效性，基于圖2中給出的天線尺寸，我們加工了一天線樣品，樣品天線的照片見圖3。天線仿真和實測的回波損耗見圖4。從圖中可以看出，天線實測的高低頻段的10dB 阻抗帶寬分別為46.3% (2.36-3.78 GHz)和31.4% (5.1-7 GHz)，能覆蓋WLAN 2.4/5.2/5.8 GHz和WiMAX 2.5/3.5/5.5 GHz 工作頻段，仿真的回波損耗和實測的結果基本吻合。

圖3 天線照片

圖4 實測的回波損耗

天線仿真的電流分布見圖5。從圖5(a)中可以看出，大部分電流集中在環形天線上，激勵產生低頻諧振；從圖5(b)中可以看出，電流集中在I形天線上，激勵產生高頻諧振。也就是說，環形天線諧振產生低頻頻段，而I形極子諧振產生高頻頻段。

(a) 2.9GHz

( b) 5.4GHz

圖5 在高低頻諧振頻率的電流分布圖

(a)

(b)

(c)

圖6 天線方向圖

圖7 天線增益

由于在各頻段的方向圖變化不大，我們測量了2.5 GHz、3.5 GHz和5.5 GHz時各坐標平面的方向圖，如圖6所示，這些方向圖與偶極子天線的方向圖基本相似。該天線在2.3–3.8 GHz and 5–6 GHz頻段的增益分別從2.7到3.4dBi和2.5–4.1dBi，如圖7所示。

4 結束語

本文提出了一種矩形環形極子與I形極子組合雙頻天線，該天線的結構簡單、制造容易，并且在每個頻段都實現了寬頻帶設計。該天線不僅能應用在WLAN通信終端設備，還能工作在WiMAX終端設備，具有良好的應用價值。