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现代无线宽带天线设计与制造通信系统
Adit Kurniawan*, Salik Mukhlishin
摘要
现代无线通信系统天线设计中的主要挑战之一就是构建一个单一的天线，可以使用各种无线技术服务于非接触式频率的分配。在本文中，提出的一个宽带天线设计的方法是产生一个单一的天线，可以使用2.3-6GHz之间不同的频率的不同无线通信技术技术，包括2.5-2.48GHz频率的WiFI，5.15-5.35GHz和5.725-5.825GHz，以及在2.3-2.4GHz，2.495-2.695GHz，3.3-3.8GHz和5.25-5.85GHz中的WiMAX频率。天线的结构包括截断用共面波导（CPW）圆形贴片馈电线路，印上一个0.8毫米厚介电常数εR = 4.3的FR4环氧树脂介电基板。比较回波损耗，VSWR，增益，仿真和测量结果之间的辐射方向图出现在接近规约。从2.3-6GHz的频率带宽测量结果可以看出，返回损失9.54dB或着驻波比为2。天线增益在2.3GHz-6GHz的频段从0dB-2.3dB几乎呈现行增加。这个天线的辐射方向图，可以看出有一个像苹果形状的模式，即在X-Y平面的双向模式和在X-Z圆形模式。
- 简介
在无线通信系统的迅速发展中，要求能多频段使用天线或者管带天线能支持不同的技术和标准。天线区域网现在有各种不同的标准，如频率范围2.4-2.48GHz作为一个无线区域网标准操作的IEEE802.11b/g，而IEEE增加使用5.15-5.35GHz和5.72-5.825GHz的频率。这些无线区域网标准设计用于1-100米的短距离（WiFi标准）。其他的标准如IEEE802.16 d/e设计得到更宽的覆盖在其他频率的操作，并被称为WiMAX技术。WiMAX具有多种频率分配，在不同的国家有不同的分配方案。印度尼西亚2.3-3.3.GHz频段已分配支持WiMAX技术。因此，如果要制作天线，可以调整不同的频段以支持不同的技术和标准。
这有几篇符合802.11a/b/g和IEEE 802.1d/e标准关于双频或多频天线的论文。Liu et. al. [1] 建议可覆盖2.4/5.2GHz WLAN频段的倒F天线。Raj et al. [2] 提出印在FR4的运行在2.4/5.2/5.8GHz频段的平面天线。Wu et al. [3] 报告一种双重宽带缝隙天线，其中双宽共振采用U形板插入一种相对介电常数为4.7的基板的缝隙天线的中心。另一种制作紧凑型微带天线的技术可以在[4]看到，这也在紧凑型天线的设计发展技术提出了很多问题。
出自于Chen, et.al [5]-[7]以及[8]，这些文章提出来一种截断圆形贴片天线结合在厚度为0.8mm，相对介电常数为4.3的FR4基板上实现2方补丁。我们可以从最初的圆形设计得出宽带特性如图Fig.1(a)所示，修改后的圆形以及方形贴片截断产生所需的宽带特性如图Fig.1(b)所示。
论文的其余部分组织如下，第二节介绍天线的设计和仿真，第三节描述天线的制作和测量，第四节讨论分析，最后总结结束整篇论文。
2.天线的设计和仿真
建议使用计算机辅助设计（CAD）对该天线设计和仿真。该天线的设计和实现使用介电常数εr = 4.3、厚度h=0.8的FR4环氧绝缘基板。图1(1)显示了宽带天线的基本设计，天线包括圆心贴片和共面波导反馈电路[9]-[10]。共面波导馈电线路组成的中心地带和有限的两个方
形补丁有同样的大小，对称位于平面上中心地带的两侧。圆形贴片的半径q=16mm或者说直径D=32mm，中心带的宽度S=2.4mm，CPW差距W=0.2mm。其他参数P=50.9mm，L=33mm，GP=16mm，GL=15.1mm，H1=1.3mm，H2=1.6mm。这天线在2.1-5.0GHz宽带特性显示其反馈损失小于10dB。然而在我们的情况下，为了覆盖高带WiFi和WiMAX频率我们需要延长设计带宽高达5.9GHz。为了实现这一目标，我们使用类似[11]-[12]的技术，我们首先通过减小圆形贴片的长度如Fig.1(b)所示。这很明显的展示了通过切割圆形贴片的长度使带宽变宽，但这导致了将低频率移到了更高的频率范围。通过适当调整削减长度或者说通过适当减少圆形贴片的长度，可以从2.3GHz-6GHz范围得到一个新的宽带频率。
下一步是提高高频阻抗匹配，我们可以从Fig.2中看出反馈损失的临界频率仍高于3.5GHz。要做到这一点，我们还要进行参数研究，调整差距宽度W，长度H1和H2。这一过程表明，通过减少W，可以将阻抗匹配提高超过3.5GHz的频率，而通过增加长度H2可以提高所有频率的反馈损耗，但是这也伴随着共振频率平移至更高频率的情况出现。此外，增大H1可以减少反馈损耗和共振频率平移至耕地频率的情况。若要产生回波损耗小于10dB的最佳频段的参数为Q=5.6mm，H1=0.5mm，H2=1.5mm，W=0.3mm。通过设置整体尺寸P=40mm，L=33mm，可以得出D=32mm，GP=16.1mm，GL=15mm，S=2.4mm.Fig.2显示的是我们改变Q，H1、H2和W的长度过程的仿真结果。
（a） （b）
Fig.1宽带天线：（a）圆形贴片与2方地面，（b）截断补丁扩展天线带宽
（a） （b）
（c） （d）
Fig.2对截断圆形贴片天线的回波损耗特性的影响：（a）Q值的影响曲线，（b）H1值的影响曲线，（c）H2值的影响曲线，（d）W值的影响曲线
3.天线的制造和测量
天线的制作圆形如Fig.3所示，通过测量其参数，特别是测试其驻波比和回波损耗，天线增益，验证仿真结果以及验证天线的设计规范。驻波比或回波损耗的测量是最重要的，因为我们研究的主要目的是要在有足够阻抗带宽的理想频率带宽内产生一个宽带特性。为了便于比较，Fig.4显示了测量以及模拟电压驻波比，回波损耗，天线增益和在2.3-6GHz频段下的天线辐射方向图。
我们可以从Fig.4忠看出，VSWR=2（相当于回波损失9.54dB），从模拟中可以获得超过2.3GHz直到6GHz的宽带特性，从测量结果中则可以获得超过6GHz的宽带特性。在2.5-3.5GHz频段，驻波比/回波损耗的数据更好，因为我们的基本设计基于共振频率[5]。模拟和测量结果之间的比较除了在较高的频段外显示出密切的协议，增益的测量和仿真结果表明，增益从测量的到的数据只比仿真值略低，在2.3-6GHz的较低频段内从0dB开始几乎呈线性增加。我们也可以从Fig.4(b)中看出来，该天线辐射图显示的为双向模型。
Fig.3 宽带天线的制作
（a） （b）
（c） （d）
Fig.4 天线的测量结果：（a）回波损耗，（b）驻波比，（c）增益，（d）辐射模式
4.分析和讨论
从大量的模拟中我们已经发现圆形截断的效果，以及其他的数据的修改效果，即馈电线与矩形平面之间的间隙，接地平面与圆形的间隙，在天线带看上的接地平面的尺寸产生多频率的天线特性。这个共振（中心）的频率对于任何圆形截断尺寸(Q)的变化都相当的不敏感。这可以说明基本设计的圆形补丁可以保留。但是圆形截断（Q）可以改变高于3.5GHz的频率的行为。圆形截断和天线的边缘之间的间隙（H1）对中心频率的特性以及高频带的特性也不敏感。然而圆形贴片和方形平面之间的间隙（H2）对于中心频率反应敏感，以及对于更高频率波段的反应也敏感。馈电线和方形平面贴片之间的间隙对中心频率和更高的频率特性是最敏感的。
5.结论和进一步研究
涵盖所有Wi-Fi和WiMAX频段的宽带天线在FR4基板上成功的设计和实现。宽带天线的特性包括2.3-6GHz频率。宽带特性是通过截断与方形接地平面基本圆形贴片的修改和调整方形接地面的方法，在更高的频段上拓展带宽。该天线的增益在2.3-6GHz的频段内从0dB至4.5dB几乎呈线性增加。天线的辐射模式为双向模式。天线测量数据和仿真结果呈现出良好的一致性。我们进一步研究采用多频带犯法来研究一个更具挑战性的天线设计。多频带天线可以提供一个在射频电平滤波功能，以提高对其他系统的抗干扰能力。
致谢
本文的研究得到万隆工艺研究所创新基金计划研究的支持（Riset dan Inovasi KK）2013。作者感谢他们的财务上的支持。
参考文献
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