CN103367881A - 一种加载双频amc反射板的高增益g形双频单极子天线 - Google Patents

Abstract

本发明涉及一种适用于WLAN双频系统的高增益印刷单极子天线，属于电磁传播与接收的技术领域。本发明提出了一种加载双频人造磁导体（Artificial Magnetic Conductor，AMC）反射板的微带线馈电的G形双频印刷单极子天线，具体实现是将一种双频AMC反射板加载到一种G形双频天线的正下方，其特征是在保持天线较低剖面的情况下，在WLAN系统中的2.4-GHz频段和5.2-GHz频段最大增益达到7.2dBi，背向辐射分别减小14.1dB与13.7dB。本发明设计的加载AMC反射板双频高增益天线可用于WLAN系统中的2.4-GHz系统（2.4GHz-2.48GHz）及5.2-GHz系统（5.15GHz-5.35GHz），为设计工作于WLAN双频系统的高增益天线提供了指导。

Description

一种加载双频AMC反射板的高增益G形双频单极子天线

技术领域

本发明提供了一种应用于WLAN系统中的2.4-GHz系统（2.4GHz-2.48GHz）及5.2-GHz系统（5.15GHz-5.35GHz）的高增益单极子天线，属于电磁传播与接收的技术领域。

背景技术

近年来无线局域网技术发展迅速，WLAN系统中的2.4-GHz及5.2-GHz系统应用广泛。印刷单极子天线由于其价格低廉，重量轻便，易于制作，广泛应用于无线通信中。同时，电磁带隙（Electromagnetic Band Gap，EBG）结构可用于改善天线性能。因此，研究加载EBG结构的双频印刷单极子天线具有很大的应用前景。

1．WLAN系统

无线局域网是计算机网络与无线通信技术相结合的产物，能够实现短距离无线通信。它利用无线射频技术在空气中传播数据、语音和视频信号，取代旧式的双绞线构成的局域网络，实现网络的无线延伸。近年来，随着手机、笔记本电脑以及各种手持设备的发展，无线局域网技术由于其无线便捷的特点发展迅速。IEEE802.11是如今无线局域网通用的标准，主要使用的频段包含2.4-GHz频段（2.40GHz-2.48GHz）和5.2-GHz频段(5.15GHz-5.35GHz)（文献1，Crow B.P.,Mitre Corp.,Widjaja I.,Jeong Geun Kim,Sakai P.T.IEEE802.11Wireless Local AreaNetworks.IEEE Communications Magazine,September1997），此频段属于ISM(IndustrialScientific Medical，ISM)频段，无需授权，只需要满足一定的发射功率，不对其他频段造成干扰即可。因此，随着各种智能手机及移动设备的发展，无线局域网技术将有很大的应用空间。

2．印刷单极子天线

印刷单极子天线是由单极子天线发展而来，采用印刷电路板（Printed Circuit Board，PCB）技术，实现单极子天线的平面化。平面印刷单极子天线具有价格低廉、重量轻便、易于制作的优点，同时易于集成，这在集成度越来越高的电子设备中具有很大的优势。目前印刷单极子天线辐射主体形状各异，有铁钩形、直条形、倒F形等等。

随着WLAN系统的发展，目前亟需设计适用于WLAN系统的双频或多频单极子天线。目前已经提出了一种平面倒F双频天线（文献2，Yen-Liang Kuo,Tzung-Wern Chiou,Kin-Lu Wong.A Novel Dual-Band Printed Inverted-F Antenna.Microwave and Optical Technology Letters,December2001）。这种天线需要一根导体柱用于连接辐射体和地面，这无疑增加了天线的复杂程度和制作成本。一种双T形结构的单极子天线在文献中提出（文献3，Yen-Liang Kuo,Kin-Lu Wong,Printed Double-T Monopole Antenna for2.4/5.2GHz Dual-band WLAN Operations.IEEE Transactions on Antennas and Propagation,September2003），该天线结构简单，工作在2.4GHz和5.2GHz双频段，具有较好的辐射特性，但是在两个频段内的增益不高。

本发明采用了一种G形印刷单极子天线（文献4，Chien-Yuan Pan,Chien-Hsiang Huang,andTzyy-Sheng Horng.A New Printed G-shaped Monopole Antenna for Dual‐band WLANApplications.Microwave and Optical Technology Letters,May2005），该天线结构紧凑，工作在WLAN频段中的2.4GHz和5.2GHz频段，带宽较大，为了在两个中心工作频点2.45GHz和5.25GHz获得更一致的阻抗匹配，对文献4中的天线结构进行了部分修改。与文献3中的双T形单极子天线一样，G形单极子天线在两个频段内的增益并不高。

为了改善天线在双频段的增益，本发明采用了加载双频反射板的方法，并对加载反射板前后的天线在双频段内的性能做了比较。

3．EBG结构在天线中的应用

a.EBG结构的概念及其特性

电磁带隙结构的概念实际上来自光子晶体（Photonics crystal）概念的推广。它是由美国Bell实验室的Yablonovitch(文献5，E.Yablonovitch.Inhibited Spontaneous Emission in Solid-statePhysics and Electronics,Physical Review Letters,1987)和Princeton大学的S.John(文献6，SajeevJohn.Strong Localization of Photons in Certain Disordered Dielectric Superlattices.PhysicalReview Letters,1987)在1987年分别讨论如何抑制自发辐射和无序电介质材料中的光子局域谐振时，各自独立的提出的。光子晶体是一种非常典型的光子带隙（Photonic Band Gap，PBG）材料，而后一段时间光子带隙的概念被广泛使用，第一个实现禁带特性并用实验验证的是20世纪90年代初中提出的介质结构（文献7，E.Yablonovitch,T.J.Gmitter,and K.M.Leung.Photonic Band Structures:the Face-centeredcubic Case Employing Non-spherical Atoms.PhysicalReview Letters,1991）。

由于光学波段的尺度很小，加工工艺要求高，所以人工制作光子晶体存在一定的困难。而微波频段和光波都属于电磁波谱，共同遵从Maxwell方程，所以帯隙的概念逐渐在微波频段广泛研究，逐渐称之为EBG。在20世纪90年代末期，两种重要的平面EBG结构被提出，一种是1999年提出的蘑菇形EBG结构（文献8，D.Sievenpiper,L.Zhang,R.F.J.Broas,N.G.Alexopolus,and E.Yablonovitch,High-impedance Electromagnetic Surfaces with a ForbiddenFrequency Band.IEEE Transactions on Microwave Theory and Techniques,1999）；另一种是1999年提出的共面紧凑型EBG结构（文献9，F.-R.Yang,K.-P.Ma,Y.Qian,and T.Itoh.A UniplanarCompact Photonic-bandgap(UC-PBG)Structure and Its Applications for Microwave Circuits.IEEE Transactions on Microwave Theory and Techniques,1999）。EBG概念的明确提出是在文献10（文献10，Y.Rahmat-Samii and H.Mosallaei.Electromagnetic Band-gap Structures:Classification,Characterization and Applications.Eleventh International Conference on Antennasand Propagation,April2001）中，“概括地说，电磁帯隙结构是指人造的周期性结构（有时也是非周期的），能够阻止或者促进特定频域内所有入射波和所有极化状态的电磁波的传播”。之后，各种EBG结构被广泛提出和研究。

EBG结构具有两个显著的特性：一是阻止特定频率内电磁波的传播，即电磁帯隙；二是对入射的平面电磁波具有随频率变化的反射相位，通常称-90度到+90度内的相位为同相相位，入射波与同相的反射波叠加，电磁波会增强。由于反射相位在某些频率点为0，类似于自然界中不存在的理想磁导体，故称为人造磁导体特性。

本发明主要利用了EBG结构的同相反射相位特性，实现了一个在2.4-GHz和5.2-GHz频段内对入射波进行同相反射的反射板，减小WLAN天线的背向辐射，增大WLAN双频天线的增益。

b.EBG结构在天线中的具体应用

使用EBG结构能够很好地改善天线性能，EBG结构与天线的结合方式主要有以下几种：

(1)将EBG结构作天线的覆层，采用EBG结构的频率选择特性来提高天线的增益和方向性（文献11，Pirhadi A.,Hakkak M.,Keshmiri F.,Baee R.K.Design of Compact Dual Band HighDirective Electromagnetic Bandgap(EBG)Resonator Antenna Using Artificial Magnetic Conductor.IEEE Transactions on Antennas and Propagation,June2007）；(2)将EBG结构作天线的基层，利用EBG结构的电磁帯隙，可以抑制特定频段内表面波的传播，以此改善天线的增益和辐射特性（文献12，Denidni T.A.,Coulibaly Y.,Boutayeb H.Hybrid Dielectric Resonator Antenna withCircular Mushroom-like Structure for Gain Improvement.IEEE Transactions on Antennas andPropagation,April2009）；(3)将EBG结构作天线的反射板，利用EBG结构的同相反射特性，在保证低剖面的情况下提高天线的增益，减小天线的背向辐射（文献13，Joubert J.,VardaxoglouJ.C.,Whittow W.G.,Odendaal J.W.CPW-fed Cavity-backed Slot Radiator Loaded with an AMCReflector.IEEE Transactions on Antennas and Propagation,February2012）。(4)将EBG结构用于天线阵中，利用EBG结构的电磁带隙，减小天线单元间的互耦（文献14，Fan Yang,Rahmat-SamiiY.Microstrip Antennas Integrated with Electromagnetic Band-gap(EBG)Structures:A Low MutualCoupling Design for Array Applications.IEEE Transactions on Antennas and Propagation,October2003）。

目前对于EBG结构与天线结合的研究，主要集中在EBG结构提高单频天线的增益、EBG结构减小天线阵列间互耦、EBG结构改善天线辐射特性等方面。对于EBG结构用作反射板提高天线增益，在双频及多频方面研究比较少，且已有的改善效果并不是特别理想。因此，如何利用双频及多频EBG结构改善双频及多频内天线的性能极具挑战。

本发明主要利用了EBG结构的同相反射特性，将EBG结构用作天线的反射板，考虑到天线工作在双频，采用了一个双频的EBG结构（文献15，Fan Yang,Rahmat-Samii Y.ReflectionPhase Characterizations of the EBG Ground Plane for Low Profile Wire Antenna Applications.IEEE Transactions on Antennas and Propagation,October2003），将双频的反射板用于双频天线，在保证低剖面的情况下，实现了天线在两个频段下增益提高，背向辐射减小。

发明内容

针对WLAN系统对双频高增益天线的要求，本发明提供了一种加载双频AMC反射板的G形单极子天线，该天线工作在WLAN频段中2.4-GHz和5.2-GHz频段，在保证天线低剖面的特性下，实现了两个频段内入射波与反射波同相叠加，减小天线的背向辐射，增大天线的正向增益。

本发明设计的应用于WLAN双频系统的加载双频AMC反射板的高增益G形单极子天线包括G形双频印刷单极子天线及双频反射板。其中G形单极子天线由G形辐射体、微带线、FR4介质层以及部分地组成；而加载的双频反射板单元在贴片的四边均开了一条缝，通过调节贴片长度和宽度、缝隙的位置以及缝隙的长度和宽度，实现反射板在中心频点2.45GHz及5.25GHz附近的反射相位为0，并且两个频点的同相带宽（±90度）能够覆盖WLAN系统的频带范围2.4GHz-2.48GHz和5.15GHz-5.35GHz。将7x7个单元的反射板加载到天线下方，通过合理调节两者之间的距离，实现天线在两个频段内反射波与入射波同相叠加，有效减小天线的背向辐射，提高天线的增益。

本发明相比于现有技术具有以下优点：

1、本发明设计的G形天线在原文献的基础上修改了天线辐射体，修改后的天线在两个频段的中心频点2.45GHz及5.25GHz阻抗匹配基本一致，且在两个频点的阻抗带宽较宽。

2、本发明中的加载反射板单元结构简单，无需接地孔，结构较紧凑，通过在贴片四边对称开缝，即可实现双频特性，且调节简单，通过调节贴片的尺寸可以粗调低频点，通过调节缝隙的位置可以粗调高频点，通过调节缝隙的尺寸可以微调整体的反射相位。

3、本发明中AMC反射板与天线的结合简单有效，在结合之前，分别调节天线与反射板的中心频率至2.45GHz及5.25GHz处附近，结合过程中，只需微调反射板与天线的距离，即可在双频带内获得比较满意的结果，无需重新调节天线与反射板的参数。

4、本发明相对于现有技术中加载发射板天线，实现了双频段性能同时提升，仍然保证了天线的低剖面，相对于单频反射板，该双频反射板的尺寸没有明显增大。

本发明的工作原理如下：

首先介绍平面印刷单极子天线工作原理。平面印刷单极子天线的工作频率主要由辐射体决定，本发明采用的G形天线有两段谐振路径，如图1，一条路径是l5，另一条谐振路径是l1+l2+l3+l4，通过调节各自路径的长短，可以独立地调节两个谐振点。该G形天线在两个谐振点的阻抗带宽较大，适合WLAN系统的双频通信。该天线的地面为部分地，只覆盖在微带线的下方，而在辐射体下方没有金属地面，因此该天线在两个频段的增益不高。

其次介绍EBG结构用于改善天线性能的工作原理。这里主要利用的是EBG结构的同相反射特性，即AMC特性。由于适用系统为双频段，需要设计一个双频的AMC反射板，本设计主要利用了文献15中的方法，通过在贴片上对称开缝实现双频AMC特性。对于入射的平面电磁波，理想电导体的反射相位为180度，因此为了使反射波与入射波同相叠加，线天线与理想电导体需要间隔1/4个波长，导致天线的剖面很大，不适合实际使用。而理想磁导体的反射相位为0度，但是理想磁导体在自然界中并不存在。对于入射的平面电磁波，EBG结构的反射相位随频率变化，其中±90度为同相反射的频率，此频率段的反射波与入射波同相叠加，增益增加。

最后介绍EBG结构作AMC反射板改善天线性能的原理。将7x7个的单元组成的AMC反射板加载到单极子天线的正下方，将单极子天线和反射板的两个中心频率都分别调节到2.4-GHz和5.2-GHz系统的中心频率2.45GHz和5.25GHz附近，且AMC在两个频点的同相反射区都充分覆盖2.4-GHz和5.2-GHz系统频段。则在2.4-GHz和5.2-GHz系统频段内，入射波与反射波同相叠加，因此天线和反射板的距离可以靠得很近，实现整个天线的低剖面；同时由于更多的背向电磁波被同相反射，可以实现在两个频段背向辐射减小，正向增益增加。

附图说明

图1（a）为微带线馈电的G形印刷单极子天线的结构示意图。本发明采用的介质为相对介电常数为4.4的FR-4覆铜板，介质厚度为h，地面的尺寸为W*L，介质板的尺寸为W*2L*h，馈电微带线的宽度为Wf，辐射体类似于一个G形的金属条,具体长度如图。各参数的值为：h=0.8mm，h1=1.5mm，W=48mm，L=30mm，Wf=1.5mm，l1=4.2mm，l2=9.2mm，l3=13mm，l4=7.7mm，l5=6.5mm。图1（b）为天线在1-7GHz频段内的回波损耗图，可以看出天线的中心频点为2.45GHz和5.27GHz，与2.4-GHz和5.2-GHz系统的中心频点基本一致。双频带宽分别为：2.20GHz-2.74GHz，4.76GHz-7GHz，充分覆盖了2.4-GHz和5.2-GHz系统的带宽。

图2（a）为用作天线反射板的AMC单元及其7x7的阵列，图2（b）为该结构的反射相位仿真图。通过调节贴片的尺寸以及缝隙的位置、缝隙的长和宽，可以调节反射相位的变化。经过仿真优化后，可以将两个零反射相位点分别调至2.4-GHz和5.2-GHz系统的中心频点附近2.45GHz及5.23GHz，且两个频点的同相频段分别为2.35GHz-2.53GHz与4.95GHz-5.47GHz，均覆盖了2.4-GHz和5.2-GHz系统要求的频段。微调后的参数为：W=18mm，g=2.5mm，d=4.5mm，wl=9.5mm，ww=1.1mm。采用的介质板为高度为3mm的相对介电常数为4.4的FR-4覆铜板。

图3为加载AMC反射板的G形单极子天线示意图。天线的各参数与反射板的各参数分别于图1和图2的参数一致。经过仿真分析，结果表明，当天线与反射板的距离仅3mm时，天线仍能获得较好的性能。

图4为加载反射板前后天线回波损耗特性对比图。工程上一般定义S11<-10dB的频率范围为天线的阻抗带宽，在阻抗带宽内，天线阻抗匹配较好，馈源的能量能够有效地进入天线，较少的能量反射回去。从图4可以看出，不加载反射板的天线的工作频段为2.20GHz-2.74GHz，4.76GHz-7GHz；加载反射板后，反射板与天线产生耦合，天线的S11曲线产生了部分波动，加载反射板的天线的阻抗带宽为2.34GHz-2.78GHz，4.93GHz-5.65GHz，加载反射板后，天线的阻抗带宽有所减小，但仍然满足WLAN双频系统的带宽要求，且注意到加载反射板后天线工作中心频率与加载反射板前天线中心频率一致。

图5为加载反射板前后天线辐射方向图对比图。图5（a）为2.45GHz频率处xz平面与yz平面的方向图，在xz平面，背向辐射减小14.1个dB，正z轴增益增加个3.2dB，前后比由0.5dB增加到16.8dB，增加了16.3dB；在yz平面，背向辐射减小16.6个dB，正z轴增益增加3.1个dB，前后比由0.5dB增加到19.3dB，增加了18.8个dB。图5（b）为5.25GHz频率处xz平面与yz平面的方向图，在xz平面，背向辐射减小13.7个dB，前后比由0.55dB增加到13.6dB，增加了13.05个dB；在yz平面，背向辐射减小12.5个dB，前后比由0.55dB增加到12.22dB，增加了11.65个dB。综合图5（a）及图5（b）可知，加载反射板能够有效减小G形单极子天线的背向辐射，增大天线的前后比。

图6为加载反射板前后天线在WLAN双频段的增益对比图。图6左侧为2.4GHz-2.48GHz频域内加载反射板前后天线最大增益的对比图，由图可知，加载反射板后，在2.4GHz最大增益由2.60dBi增加到7.27dBi，增加了4.67个dB；在2.48GHz最大增益由2.67dBi增加到4.32dBi，增加了1.65个dB；2.4-GHz系统频段内最大增益平均增加了3.1个dB。图6右侧为5.15GHz-5.35GHz频域内加载反射板前后天线最大增益的对比图，由图可知，加载反射板后，在5.15GHz最大增益由3.54dBi增加到7.2dBi，增加了3.66dB；在5.35GHz最大增益由3.34dBi增加到6.79dBi，增加了3.45dB；5.2-GHz系统内最大增益平均增加了3.4个dB。

总结：通过加载双频AMC反射板，天线的回波损耗有所波动，阻抗带宽有所减小，但仍然充分满足2.4-GHz和5.2-GHz系统的带宽要求，且在2.4-GHz系统频段内前后比最大达到19.3dB，最大增益达到7.27dBi，最大增益平均增加3.1个dB；在5.2-GHz系统频段内前后比最大达到13.6dB，最大增益达到7.2dBi，最大增益平均增加3.4个dB。

具体实施方式

第一，选定满足WLAN双频段的双频天线。根据WLAN系统对天线双频、小尺寸、低成本的要求，结合单极子天线低成本、重量轻便、易于制作的特点，选择了文献4中G形单极子天线，同时为了保证天线在两个中心频点的阻抗匹配一致，修改了辐射贴片的结构。天线的具体结构如图1（a）所示。

第二，设计满足性能要求的双频AMC结构。设计的AMC结构应满足如下要求：两个零反射相位频点与天线两个中心工作频率保持一致，两个同相反射区域应该充分覆盖2.4-GHz和5.2-GHz系统的频带；AMC结构要具备小型化、宽带的特点。本发明选取了文献15中提到的结构，为了减小复杂度和制作成本，贴片和地面之间不再使用导体柱连接。通过细调AMC的参数，将两个零反射相位点分别控制在2.45GHz及5.25GHz附近，且具有较宽的同相带宽为2.35-2.53GHz（180MHz）以及4.95-5.47GHz（520MHz）。

第三，将天线与反射板结合。利用已经调节好的AMC单元，设计了一个7x7单元的反射板。将反射板置于天线的正下方。通过调节反射板与天线之间的距离来获得最好的仿真结果。仿真发现，两者之间的距离不能太近，否则会导致天线与反射板耦合严重，S11波动太大。当天线与反射板的距离间隔仅为3mm时，天线取得了明显的改善效果。通过设计工作频率中心为2.45GHz及5.27GHz的单极子天线，同时引入零反射相位频率点为2.4-GHz系统和5.2-GHz系统中心附近的2.45GHz与5.23GHz的反射板，天线的辐射特性得到较大提升。在双频段内背向辐射显著减小，正向增益增加。使用反射板，对辐射电磁波进行了重导向，使得能量更多地向天线上方辐射，提高了天线的方向性，增大了天线的前后比，进而提高了天线的增益，并改善了天线的方向图。

Claims (5)

1.提出一种工作于WLAN双频段2.4-GHz和5.2-GHz系统的高增益G形微带线馈电的单极子天线，包括一个微带线馈电的双频印刷单极子天线和一个双频的AMC反射板。其特征在于，在双频天线下方加载了7x7个AMC单元组成的双频反射板，加载的AMC反射板位于天线正下方。

2.如权利要求1所述的单极子天线，其特征在于：辐射体具体有特定的形状和尺寸，天线的中心工作频率分别位于2.4-GHz系统和5.2-GHz系统的中心频点2.45GHz及5.25GHz附近，且在两个中心工作频点阻抗匹配基本一致。

3.如权利要求1所述的单极子天线，其特征在于：加载反射板单元具有特定贴片长度和宽度（W=L=18mm）以及特定的缝长和缝宽（wl=9.5mm，ww=1.1mm），反射板的两个零反射相位点分别位于2.4-GHz和5.2-GHz系统的中心频点2.45GHz和5.25GHz附近。

4.如权利要求1所述的单极子天线，其特征在于：加载的同相反射板与天线间具有特定的距离（h=3mm）。

5.一种在保持双频单极子天线低剖面的情况下提高双频段内天线增益的方法，其特征在于：通过加载与双频天线中心工作频率一致的双频AMC反射板，调节天线与反射板之间的距离，而加载后无需再改变天线和反射板的参数，使得天线在双频段内背向辐射显著减少，增益增加。

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