一種采用非對(duì)稱共面饋電結(jié)構(gòu)的三頻平面單極子天線

1、2015年全國(guó)微波毫米波會(huì)議年全國(guó)微波毫米波會(huì)議一種采用非對(duì)稱共面饋電結(jié)構(gòu)的三一種采用非對(duì)稱共面饋電結(jié)構(gòu)的三頻平面單極子天線頻平面單極子天線作作 者：劉濤者：劉濤 康樂(lè)康樂(lè) 黃丘林黃丘林 史小衛(wèi)史小衛(wèi)單單 位：位： 西安電子科技大學(xué)西安電子科技大學(xué) 天線與微波技術(shù)重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室天線與微波技術(shù)重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室2021-11-12內(nèi)容安排設(shè)計(jì)目標(biāo)設(shè)計(jì)目標(biāo)3結(jié)論結(jié)論5設(shè)計(jì)思路設(shè)計(jì)思路2論文概述論文概述1實(shí)驗(yàn)結(jié)果和分析實(shí)驗(yàn)結(jié)果和分析42021-11-13論論 文文 概概 述述論文意義、背景論文意義、背景本論文提出了一種采用非對(duì)稱共面饋電結(jié)構(gòu)的緊湊型三頻本論文提出了一種采用非對(duì)稱共面饋電結(jié)構(gòu)的緊湊型三頻平面單極子

2、天線，該天線適用于無(wú)線平面單極子天線，該天線適用于無(wú)線局域網(wǎng)局域網(wǎng)（WLANWLAN）和全）和全球微波互聯(lián)接入（球微波互聯(lián)接入（WiMAXWiMAX）通信系統(tǒng)。）通信系統(tǒng)。2021-11-14設(shè)設(shè) 計(jì)計(jì) 思思 路路 各種各樣的小型化微帶天線設(shè)計(jì)方法被提出。目前主要的設(shè)計(jì)方法各種各樣的小型化微帶天線設(shè)計(jì)方法被提出。目前主要的設(shè)計(jì)方法有以下三種：有以下三種： 一、一、 高介電常數(shù)法高介電常數(shù)法 高介電常數(shù)的材料對(duì)天線的小型化非常有效高介電常數(shù)的材料對(duì)天線的小型化非常有效，但是這種方法會(huì)使得微帶天線表面波損耗增大，但是這種方法會(huì)使得微帶天線表面波損耗增大 、輻射效率降低、頻、輻射效率降低、頻帶變窄。

3、帶變窄。 二、二、 微帶天線加載技術(shù)微帶天線加載技術(shù) 本質(zhì)上是改變微帶貼片上電流的路徑，本質(zhì)上是改變微帶貼片上電流的路徑，減小天線尺寸。但是這種方法相比普通微帶天線，效率和增益都有所降減小天線尺寸。但是這種方法相比普通微帶天線，效率和增益都有所降低。低。 2021-11-15設(shè)設(shè) 計(jì)計(jì) 思思 路路三、三、曲流技術(shù)曲流技術(shù) 曲流技術(shù)實(shí)現(xiàn)降低天線尺寸是通過(guò)改變?cè)蟹植嫉谋砻骐娏髑骷夹g(shù)實(shí)現(xiàn)降低天線尺寸是通過(guò)改變?cè)蟹植嫉谋砻骐娏?，一般采用，一般采用在輻射貼片上開(kāi)槽在輻射貼片上開(kāi)槽的方法。對(duì)于相同頻率的微帶天的方法。對(duì)于相同頻率的微帶天線，由于貼片表面開(kāi)槽后，電流的路徑長(zhǎng)度就增加，從而可以線，由于貼

4、片表面開(kāi)槽后，電流的路徑長(zhǎng)度就增加，從而可以減小天線尺寸。減小天線尺寸。2021-11-16設(shè)設(shè) 計(jì)計(jì) 思思 路路多頻帶技術(shù)多頻帶技術(shù) WLAN WLAN、WiMAX WiMAX 等無(wú)線通信技術(shù)的快速發(fā)展和通信系統(tǒng)的需等無(wú)線通信技術(shù)的快速發(fā)展和通信系統(tǒng)的需要促使了微帶天線多頻化的發(fā)展，工程實(shí)踐中，為了滿足多頻要促使了微帶天線多頻化的發(fā)展，工程實(shí)踐中，為了滿足多頻段工作的需要，通常采用的方法有三種：段工作的需要，通常采用的方法有三種： 一、一、 多模單片法多模單片法 天線的單片結(jié)構(gòu)內(nèi)由于存在多種模式天線的單片結(jié)構(gòu)內(nèi)由于存在多種模式，多種諧振頻率可以被激勵(lì)起。，多種諧振頻率可以被激勵(lì)起。 二、二、

5、 多層貼片法多層貼片法 把諧振頻率不同的貼片疊加在一起把諧振頻率不同的貼片疊加在一起，從而實(shí)現(xiàn)微帶天線產(chǎn)生多個(gè)頻帶。，從而實(shí)現(xiàn)微帶天線產(chǎn)生多個(gè)頻帶。2021-11-17設(shè)設(shè) 計(jì)計(jì) 思思 路路三三 加載單片法加載單片法 微帶天線通常工作于單模形式，實(shí)現(xiàn)天線的雙頻或者多頻微帶天線通常工作于單模形式，實(shí)現(xiàn)天線的雙頻或者多頻工作，就需要加載單片。加載的方法一般有短路加載，開(kāi)槽或工作，就需要加載單片。加載的方法一般有短路加載，開(kāi)槽或者者加載縫隙加載縫隙，增加寄生條帶或貼片等。，增加寄生條帶或貼片等。2021-11-18設(shè)設(shè) 計(jì)計(jì) 目目 標(biāo)標(biāo)目標(biāo)目標(biāo)本文通過(guò)采用非對(duì)稱共面饋電結(jié)構(gòu)，天線的三頻諧振本文通過(guò)采

6、用非對(duì)稱共面饋電結(jié)構(gòu)，天線的三頻諧振特性通過(guò)在梯形輻射片上加載兩個(gè)特性通過(guò)在梯形輻射片上加載兩個(gè)L L型縫隙來(lái)實(shí)現(xiàn)。型縫隙來(lái)實(shí)現(xiàn)。由于該非對(duì)稱共面饋電結(jié)構(gòu)只采用單個(gè)側(cè)邊地平面，由于該非對(duì)稱共面饋電結(jié)構(gòu)只采用單個(gè)側(cè)邊地平面，與傳統(tǒng)的共面波導(dǎo)饋電相比減少了共面波導(dǎo)饋電結(jié)構(gòu)與傳統(tǒng)的共面波導(dǎo)饋電相比減少了共面波導(dǎo)饋電結(jié)構(gòu)近一半尺寸。近一半尺寸。2021-11-19 天 線 結(jié) 構(gòu) 和 設(shè) 計(jì)天線的幾何結(jié)構(gòu)和實(shí)物圖天線的幾何結(jié)構(gòu)和實(shí)物圖天 線 結(jié) 構(gòu) 和 設(shè) 計(jì)v 該天線由該天線由1.6mm厚的厚的FR4作為介質(zhì)，其相對(duì)介電常數(shù)為作為介質(zhì)，其相對(duì)介電常數(shù)為4.4，損耗角正切為損耗角正切為0.02.通過(guò)通

7、過(guò)50歐姆的非對(duì)稱共面線饋電，饋線寬歐姆的非對(duì)稱共面線饋電，饋線寬為為3.5mm，距離側(cè)邊地平面，距離側(cè)邊地平面0.5mm。在梯形貼片上開(kāi)兩個(gè)。在梯形貼片上開(kāi)兩個(gè)L型縫隙，分別為縫隙型縫隙，分別為縫隙Slot1和縫隙和縫隙Slot2，縫寬為，縫寬為1mm，通過(guò)，通過(guò)在梯形輻射片上同時(shí)加載兩個(gè)縫隙，該天線實(shí)現(xiàn)了三頻諧振在梯形輻射片上同時(shí)加載兩個(gè)縫隙，該天線實(shí)現(xiàn)了三頻諧振特性。特性。2021-11-110天 線 結(jié) 構(gòu) 和 設(shè) 計(jì)v 通過(guò)使用通過(guò)使用Ansoft高頻結(jié)構(gòu)仿真軟件，天線參數(shù)通過(guò)仿真優(yōu)化高頻結(jié)構(gòu)仿真軟件，天線參數(shù)通過(guò)仿真優(yōu)化得到。優(yōu)化的天線參數(shù)尺寸如下：得到。優(yōu)化的天線參數(shù)尺寸如下：2

8、021-11-111 參參 數(shù)數(shù) 尺尺 寸寸 參參 數(shù)數(shù) 尺尺 寸寸 參參 數(shù)數(shù) 尺尺 寸寸 L25mmLg3.5mmS210mmL113mmW11mmS33mmL25mmWf3.5mmS48mmL33.5mmWg7mmG11mmL416.5mmS18.5mmG21mm實(shí) 驗(yàn) 結(jié) 果 與 分 析 圖圖2 采用不同輻射結(jié)構(gòu)的天線仿真回波損耗曲線采用不同輻射結(jié)構(gòu)的天線仿真回波損耗曲線2021-11-112實(shí) 驗(yàn) 結(jié) 果 與 分 析v 圖圖2顯示了天線在不同結(jié)構(gòu)的情況下仿真的回波損耗曲線。顯示了天線在不同結(jié)構(gòu)的情況下仿真的回波損耗曲線。發(fā)現(xiàn)具有梯形的非對(duì)稱共面饋電結(jié)構(gòu)的單極子天線能激勵(lì)發(fā)現(xiàn)具有梯形的

9、非對(duì)稱共面饋電結(jié)構(gòu)的單極子天線能激勵(lì)3.4GHz 6.5GHz頻段兩個(gè)諧振模式。首先，通過(guò)在貼片上加頻段兩個(gè)諧振模式。首先，通過(guò)在貼片上加載載L型縫隙型縫隙Slot1,在在2.45GHz頻點(diǎn)產(chǎn)生了一個(gè)新的諧振點(diǎn)，類頻點(diǎn)產(chǎn)生了一個(gè)新的諧振點(diǎn)，類似地，在貼片上加載似地，在貼片上加載L型縫隙型縫隙Slot2，能夠激勵(lì)更高的諧振頻，能夠激勵(lì)更高的諧振頻率，以覆蓋率，以覆蓋5GHz的的 WLAN/WiMAX頻段。最后在該貼片上頻段。最后在該貼片上同時(shí)加載同時(shí)加載Slot1和和Slot，能夠同時(shí)產(chǎn)生兩個(gè)額外的諧振頻點(diǎn)，能夠同時(shí)產(chǎn)生兩個(gè)額外的諧振頻點(diǎn)，分別位于分別位于2.45和和5.2GHz，實(shí)現(xiàn)了三個(gè)不同

10、的諧振頻點(diǎn)。，實(shí)現(xiàn)了三個(gè)不同的諧振頻點(diǎn)。2021-11-113實(shí) 驗(yàn) 結(jié) 果 與 分 析圖圖3 天線在天線在(a)2.45GHz,(b)3.5GHz和和 (c)5.5GHz的電流分布的電流分布2021-11-114實(shí) 驗(yàn) 結(jié) 果 與 分 析v 圖圖3顯示了該天線在三個(gè)不同頻點(diǎn)仿真的表面電流分布。在顯示了該天線在三個(gè)不同頻點(diǎn)仿真的表面電流分布。在2.45GHz低頻段，天線電流主要集中在貼片右邊低頻段，天線電流主要集中在貼片右邊L型輻射單型輻射單元上，在元上，在3.5GHz頻段，天線電流主要分布在貼片頻段，天線電流主要分布在貼片L型輻射單型輻射單元的中間，而在元的中間，而在5.5GHz高頻段高頻段

11、,天線電流主要沿貼片左邊輻天線電流主要沿貼片左邊輻射單元分布。射單元分布。2021-11-115實(shí) 驗(yàn) 結(jié) 果 與 分 析 圖圖 4 S2變化時(shí)天線的回波損耗曲線變化時(shí)天線的回波損耗曲線2021-11-116實(shí) 驗(yàn) 結(jié) 果 與 分 析 圖圖 5 S4變化時(shí)天線的回波損耗曲線變化時(shí)天線的回波損耗曲線2021-11-117實(shí) 驗(yàn) 結(jié) 果 與 分 析v 圖圖4和圖和圖5說(shuō)明說(shuō)明S2和和S4取不同的值時(shí)，天線的回波損耗曲線取不同的值時(shí)，天線的回波損耗曲線變化情況。從圖變化情況。從圖4中得知，隨著中得知，隨著S4數(shù)值的增加，低頻和中頻數(shù)值的增加，低頻和中頻諧振頻點(diǎn)向更低頻移動(dòng)，但高頻諧振頻點(diǎn)變化很少。主

12、要原諧振頻點(diǎn)向更低頻移動(dòng)，但高頻諧振頻點(diǎn)變化很少。主要原因是隨著因是隨著S2數(shù)值的增加，從圖數(shù)值的增加，從圖3中顯示低頻和中頻諧振頻率中顯示低頻和中頻諧振頻率的電流路徑變長(zhǎng)了。同理，在圖的電流路徑變長(zhǎng)了。同理，在圖5中可以發(fā)現(xiàn)隨著中可以發(fā)現(xiàn)隨著S4的數(shù)值的數(shù)值從從7.5mm到到8.5mm增加低頻諧振頻點(diǎn)乎沒(méi)有變化，然而中頻增加低頻諧振頻點(diǎn)乎沒(méi)有變化，然而中頻和高頻諧振頻點(diǎn)向更低的頻帶移動(dòng)。通過(guò)分析，選擇和高頻諧振頻點(diǎn)向更低的頻帶移動(dòng)。通過(guò)分析，選擇S2 = 10 mm and S4 = 8mm，該天線能夠覆蓋，該天線能夠覆蓋 2.4/5.2/5.8 GHz WLAN和和3.5/5.5 GHz

13、WiMAX頻段。頻段。2021-11-118實(shí) 驗(yàn) 結(jié) 果 與 分 析 圖圖 6 天線回波損耗仿真和實(shí)測(cè)值對(duì)比曲線天線回波損耗仿真和實(shí)測(cè)值對(duì)比曲線2021-11-119實(shí) 驗(yàn) 結(jié) 果 與 分 析2021-11-120v 圖圖6顯示該天線測(cè)量與仿真的回波損耗。該天線已加工，通顯示該天線測(cè)量與仿真的回波損耗。該天線已加工，通過(guò)安捷倫過(guò)安捷倫N5230矢量網(wǎng)絡(luò)分析儀測(cè)試后，測(cè)量與仿真的回波矢量網(wǎng)絡(luò)分析儀測(cè)試后，測(cè)量與仿真的回波損耗幾乎保值一致。測(cè)量的損耗幾乎保值一致。測(cè)量的-10dB阻抗帶寬為阻抗帶寬為120MHz(2.392.51GHz),510MHz(3.223.73GHz)和和980 MHz

14、(4.935.91GHz)。結(jié)果表明本文提到的天線能夠覆蓋。結(jié)果表明本文提到的天線能夠覆蓋 2.4/5.2/5.8 GHz WLAN和和3.5/5.5 GHz WiMAX 工作頻段。工作頻段。實(shí) 驗(yàn) 結(jié) 果 與 分 析2021-11-121圖圖7 天線在天線在2.45GHz, 3.5GHz和和5.5GHz 測(cè)量的方向圖測(cè)量的方向圖實(shí) 驗(yàn) 結(jié) 果 與 分 析2021-11-122v 圖圖7給出了天線在給出了天線在2.45GHz, 3.5GHz和和5.5 GHz時(shí)的天線的實(shí)時(shí)的天線的實(shí)測(cè)的方向圖?？梢钥闯?，天線在整個(gè)三頻帶內(nèi)具有在測(cè)的方向圖?？梢钥闯?，天線在整個(gè)三頻帶內(nèi)具有在H面全面全向和在向和在

15、E面面“8”字形輻射特性。字形輻射特性。2021-11-123v 本文設(shè)計(jì)、仿真并驗(yàn)證了一種采用非對(duì)稱共面饋電結(jié)構(gòu)的三本文設(shè)計(jì)、仿真并驗(yàn)證了一種采用非對(duì)稱共面饋電結(jié)構(gòu)的三頻平面單極子天線。該天線具有結(jié)構(gòu)尺寸小，成本低，易集頻平面單極子天線。該天線具有結(jié)構(gòu)尺寸小，成本低，易集成等特點(diǎn)，另外，實(shí)測(cè)結(jié)果表明，該天線覆蓋了成等特點(diǎn)，另外，實(shí)測(cè)結(jié)果表明，該天線覆蓋了WLAN/WiMAX頻段，且輻射方向圖滿足全向性要求。該天頻段，且輻射方向圖滿足全向性要求。該天線可以應(yīng)用于線可以應(yīng)用于WLAN/WiMAX無(wú)線通信系統(tǒng)。無(wú)線通信系統(tǒng)。結(jié) 論2021-11-124相 關(guān) 文 獻(xiàn)v.1. J.J. Xie, X

16、.S. Ren, Y.Z. Yin, and S.L. Zuo, Rhombic slot antenna design with a pair of straight strips and two-shaped slots for WLAN/WiMAX applications, Microwave Opt Technol Lett 54 (2012), 14661469.v2. P. Wang, G.J. Wen, Y.J. Huang and Y.H. Sun, Compact CPW-fed planar monopole antenna with distinct triple ba

17、nds for WiFi/WiMAX applications, Electron Lett 48 (2012), 357359.v3. W.C. Liu, C.M. Wu and N.C. Chu, A Compact CPW-Fed Slotted Patch Antenna for Dual-Band Operation, IEEE Antennas Wireless Propag Lett 9 (2010), 110113.v4. R.K. Badhai and N. Gupta, Compact dual sin-shaped monopole antenna for dual ba

18、nd wireless applications, Microwave Opt Technol Lett 55 (2013), 28832888.v5. C.C. Lin, E.Z. Yu and C.Y. Huang, Dual-band rhombus slot antenna fed by CPW for WLAN applications, IEEE Antennas Wireless Propag Lett 11 (2012), 362364.v6. S. T. Fan, Y. Z. Yin, W. Hu, K. Song, and B. Li, Novel CPW-fed prin

19、ted monopole antenna with an n-shaped slot for dual-band operations, Microwave Opt Technol Lett 54 (2012), 240242.v7. V. Deepu, K.R. Rohith, J. Manoj, M.N. Suma and P. Mohanan, Compact asymmetric coplanar strip fed monopole antenna for multiband applications, IEEE Trans Antennas Propag 55 (2007),23512357.v8. V. Deepu, R. Sujith, S. Mridula, C.K. Aanandan, K. Vasudevan, and P. Mohanan, ACS fed printed F-shaped uniplanar ante