小型化CPW馈电G型双频天线详细教程讲解

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。