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。