一种应用于WLAN双频的T型介质谐振器天线

2017-11-10 21:55:23 现代电子技术2017年21期

郑浩天++林文斌++阚国锦++邹德友

摘 要: 设计一种满足WLAN双频的T型介质谐振器天线。通过对介质谐振器两侧进行切割形成“T”型产生双频辐射,再由电磁仿真软件建立模型并对其优化,得到最佳的天线设计参数。仿真结果表明该天线实现了5.2 GHz和5.8 GHz的双频带工作且均有很高的增益。该天线结构简单,仅在传统矩形介质谐振器天线的基础上对介质谐振器进行了“T”型处理。

关键词: T型介质谐振器天线; 双频; 高增益天线; 谐振器切割

中图分类号: TN82?34 文献标识码: A 文章编号: 1004?373X(2017)21?0046?03

A T?type dielectric resonator antenna covering WLAN′s two frequency bands

ZHENG Haotian, LIN Wenbin, KAN Guojin, ZOU Deyou

(Institute of Electromagnetic Field and Microwave Technology, Southwest Jiaotong University, Chengdu 610031, China)

Abstract: A T?type dielectric resonator antenna meeting the requirement of WLAN dual?band was designed. Two sides of the dielectric resonator are cut to form the T?type antenna to produce dual?band radiation. The electromagnetic simulation software is used to establish and optimize the model to get the best design parameters of the antenna. The simulation result shows that the antenna can work at 5.8 GHz and 5.2 GHz, and has a high gain. The antenna has simple structure. The T?type processing for dielectric resonator is only performed on the basis of traditional rectangular dielectric resonator antenna.

Keywords: T?type dielectric resonator antenna; dual?band; high gain antenna; resonator cutting

0 引 言

介质谐振器天线作为一种新型天线,近年来飞速发展。最早的介质谐振器天线在1983年由Stuart A. Long等人提出并通过实验验证[1]。介质谐振器天线与传统天线相比,介质谐振器能够设计的介电常数在8~100之间,形状任意,馈电方式也多种多样[1?3]。同时,它又具有体积小、造价低、重量轻且容易和平面电路进行集成等优点。相较于现在广泛使用的微带天线,它具有更宽的带宽和更高的辐射效率[3?5]。

近年来,随着现代无线通信技术的迅猛发展,其中无限局域网(WLAN)得到越来越广泛的关注。WLAN主要的优点是用户能够随时随地交换数据。目前WLAN天线主要应用于三个频段[6]:2.4 GHz(2.4~2.484 GHz),5.2 GHz(5.15~5.35 GHz)和5.8 GHz(5.725~5.825 GHz)。

利用介质谐振器不同模式下谐振频率不同的特点,激励介质谐振器工作在多个模式来获得多频带[7]。本文通过对介质谐振器左右两端进行切割,激励出双模,从而实现双频段。通过优化介质谐振器切割尺寸的大小,最终得到4.96~5.91 GHz的带宽(反射系数小于-10 dB)。该天线的带宽完全覆盖了WLAN中的5.2 GHz和5.8 GHz两个频段,且具有较高的增益。使得该天线在WLAN中具有较高的实用价值。

1 天线的结构设计

图1是T型介质谐振器天线的模型。其中介质基板使用的矩形介质材料是FR4_epoxy(玻璃环氧树脂),其相对介电常数为4.4;位于上方的介质谐振器使用的矩形介质材料是Arlon AR1000,其相对介电常数为10。接地板、微带馈线和SMA使用的材料均是pec。

该天线关于[y]轴轴对称,通过对介质谐振器左右两端切割产生双频,而切割的尺寸[L]和[W]的大小又决定了天线的频带范围,随着切割尺寸的不同,其频带范围也会发生变化。为了更好地阻抗匹配和降低加工难度,这里采用SMA同轴馈电结构。

2 天线优化与结果分析

综上分析可知,该天线的关键因素就是切割尺寸[L]和[W]的大小。因此用电磁仿真软件对介质谐振器切割尺寸[L]和[W]进行仿真优化。

从图2(a)可以看出,切割尺寸[W]的大小与谐振点的高低成正比关系,即[W]增大,天线的频带整体右移。且对第二个谐振点的反射系数值改变非常明显,对第一个谐振点的反射系数值改变较小。

从图2(b)可以看出,切割尺寸[L]的大小与谐振点的高低也成正比关系,即[L]增大,天线的频带整体右移,且移动的幅度十分大,而对于谐振点的反射系数值来说,第一个谐振点的反射系数值的改变远远大于第二个谐振点的反射系数值的改变。

因此通过仿真优化,最终得到谐振点5.2 GHz和5.8 GHz的反射系数图,如图3所示。endprint

優化后的参数如下:介质谐振器的长为21 mm,宽为22.5 mm,高为20 mm;切割尺寸[L=]8 mm,[W]为15.5 mm;介质基板的长为51 mm,宽为59 mm,高为1.6 mm;微带馈线的长为3 mm,宽为25.47 mm。如图4所示。

从[S11]反射系数图可以看出,该介质谐振器天线带宽覆盖了WLAN的5.2 GHz和5.8 GHz两个频段,下面对该天线的增益大小进行分析,如图5所示为5.2 GHz和5.8 GHz时的增益图,从图5中可以看出下半部分的增益十分低,增益基本集中在上半部分。当[θ=0°]时,[f=5.2]GHz的天线增益为5.859 2 dBi;[f=5.8 ]GHz的天线增益为6.173 2 dBi。可以看出,两个谐振点的增益均在6 dBi左右,这个增益能够满足WLAN双频的实际工作要求。

3 结 语

本文设计了一种满足WLAN双频的T型介质谐振器天线。通过对介质谐振器左右两端进行切割得到了双频带,再通过优化仿真切割长宽使谐振点位于5.2 GHz和5.8 GHz,且在谐振点处具有很高的增益。相较于其他文献中的WLAN双频具有更小的体积,同时在结构上相较于其他WLAN双频谐振器天线也更加简单。

参考文献

[1] 钟顺时,韩荣苍,刘静,等.介质谐振器天线研究进展[J].电波科学学报,2015,30(2):396?408.

[2] 廖昆明,吴毅强,邓淼,等.超宽带单极子加载介质谐振器天线的设计[J].压电与声光,2012(3):408?410.

[3] 魏明.宽频及双频介质谐振天线的研究与设计[D].西安:西安电子科技大学,2014.

[4] 周洪宝.双频介质谐振器天线的研究[D].南昌:南昌大学,2012.

[5] 金耀.介质天线研究与设计[D].南京:南京航空大学,2013.

[6] 谢征兰,林文斌,杨广立.应用于WLAN的小型微带天线[J].现代电子技术,2014,37(2):71?73.

[7] SUN Y X, LEUNG K W. Dual?band and wideband dual?polarized cylindrical dielectric resonator antennas [J]. IEEE antennas and wireless propagation letters, 2013, 12(1921): 384?387.endprint