應用于WLAN的寬頻帶天線設計[圖]

摘要：為了設計出可以覆蓋無線局域網(wǎng)WLAN的2.4GHz，5.2GHz，5.8GHz三個頻帶的天線，采用一種結(jié)構(gòu)簡單的寬帶雙頻共面波導饋電的單極子天線。該天線由一個平面倒L形和一個倒U形貼片連接構(gòu)成，實際加工制作了一個天線并且實測了S11參數(shù)，結(jié)果表明該天線具有兩個獨立的諧振模式，并且在應用范圍內(nèi)具有良好的阻抗匹配特性。

0 引言

無線局域網(wǎng)WLAN(Wireless Local Area Network)是利用無線技術(shù)實現(xiàn)快速接入以太網(wǎng)，是無線通信技術(shù)與計算機網(wǎng)絡相結(jié)合的產(chǎn)物，是對有線局域網(wǎng)的一種補充和擴展。和有線網(wǎng)絡相比，WLAN具有可移動性、靈活性、更迅速、費用低、網(wǎng)絡可靠性高等優(yōu)勢。近年來，隨著IEEE 802.11a(5.15～5.35GHz，5.725～5.825GHz)和IEEE 802.11b/g(2.4～2.483 5GHz)標準的提出，WLAN得到了迅猛發(fā)展.與此同時對WLAN天線的要求也越來越高，要求其體積小、重量輕、生產(chǎn)加工便捷、天線成本低廉，同時在功能上要求使用頻寬較寬以及有雙頻性能以同時達到IEEE 802.11a/b/g標準要求。所以，近年來對小型化的多頻段WLAN天線的研究大量涌現(xiàn)。

在平面單極子天線中，有一種倒L形平面單極子天線，國際上已經(jīng)對此進行了研究，在理論模擬仿真上，可以同時滿足IEEE802.11a/b/g標準要求，其設計形式更簡單，在滿足帶寬的要求上，體積還可進一步的縮小。所以，本文將在原來的微帶饋電的倒L平面單極子天線的基礎上，改變其饋電的形式，研制出一種共面波導饋電的倒L-U平面單極子天線。仿真和實測表明該天線在WLAN的三個頻帶范圍內(nèi)均具有很好的阻抗匹配和輻射特性。

1 倒L-U平面單極子天線的設計

1.1 天線分析與設計

WLAN天線形式有很多種，比如微帶天線，八木天線、平面單極子天線等等。選擇平面單極子天線的原因是，相對于微帶天線，其帶寬大；相對于八木天線，其體積小且容易共形。平面單極子天線與微帶天線的結(jié)構(gòu)不同在于：在金屬輻射貼片對應的介質(zhì)襯底另一側(cè)的金屬地板被去除，也就是采用了部分地板結(jié)構(gòu)。微帶天線的帶寬低，因為其Q值大，即在輻射板與地板之間儲存了大量的能量。平面單極子天線的輻射板的對應地板去除了，加大了輻射電阻，輻射出去的能量也大大的增加，Q值變小，帶寬增大。選擇共面波導饋電的形式，將地板與輻射板共面，使得帶寬又增大了，而且結(jié)構(gòu)更緊湊。但是由于天線與共面波導之間缺少有效的隔離，造成天線性能受共面波導尺寸的影響較嚴重。

本文所設計的平面波導饋電(CPW-feed)的單極子倒L-L形天線如圖1所示，由于Length1的長邊過于長，使整個板子的面積較大，本文通過曲流技術(shù)中的折疊技術(shù)，將Length1的長邊又進行了橫向折疊，如圖2所示，即共面波導饋電(CPW-feed)的平面單極子倒L-U形天線。折疊后的尺寸較之原先有了較大的縮減。

1.2 天線仿真結(jié)果分析

應用Ansoft HFSS仿真軟件，對圖2所示的天線進行仿真。根據(jù)文獻的設計經(jīng)驗，饋線寬度選擇為3mm，介質(zhì)板采用了最為常用的FR-4，其相對介電常數(shù)為4.4，厚度為1.6mm。另外應用軟件ApPCAD2.0，計算出共面波導饋電結(jié)構(gòu)的特性阻抗為50Ω時，饋線與地板之間的縫隙寬度約為0.6mm。

天線電流傳輸方向的長度可以通過公式估算，本文所設計的天線需滿足覆蓋兩個頻段的要求，其中一個頻段覆蓋2.4GHz，另一個頻段覆蓋5.2GHz和5.8GHz。因此本文選擇兩個中心諧振點頻率分別為2.45GHz和5.25GHz。根據(jù)計算可知對應于2.45GHz的Length1= 29.15mm，對應于5.25GHz的Length2=13.61mm。由圖2可知，Length1=W2+L2+L5/2應約等于29.15mm，Length2=L4+L5/2需略大于13.61mm。為了使整體結(jié)構(gòu)緊湊、小型化、寬帶化，本文將對天線結(jié)構(gòu)中的個別參數(shù)對天線性能的影響做仿真分析并加以比較。

本文通過分析地板寬度W7、輻射貼片處的橫條寬度W3、輻射貼片與地板之間的縫隙W4、U形片的W2長度以及L形片的L4長度等幾個參數(shù)的變化對天線S11頻率特性的影響，經(jīng)過一系列的優(yōu)化對比，得出以下數(shù)據(jù)，如表1所示。優(yōu)化后仿真所得的天線的仿真性能參數(shù)S11，VSWR以及遠區(qū)場的方向圖如圖3～圖7所示。

由上述可知，該共面波導饋電的平面單極子倒L-U天線具有高阻抗帶寬、小型化的顯著特點，其在-10dB處的阻抗帶寬有兩段，分別為2.36～2.58GHz和3.62～5.96GHz，前一段的相對帶寬為8.9%，后一段的相對帶寬為48.9%，覆蓋了WLAN的工作頻帶。

2 天線的制作與測試結(jié)果

天線實物如圖8所示。

參數(shù)S11仿真與實測結(jié)果對比圖，如圖9所示，可以看出，實測結(jié)果與仿真結(jié)果對比在高頻段有較大的偏差，低頻段較為吻合。

3 誤差分析

由實驗測試結(jié)果可以看出，實際制作的WLAN寬頻帶天線的回波損耗與HFSS仿真軟件的模擬結(jié)果存在一定誤差。以下從五個方面分析造成誤差的原因。

(1)對于介電常數(shù)而言，高介電常數(shù)基板的關(guān)鍵參數(shù)是εr，因此準確的測定εr，是非常必要的；制作時所選用的基板的介電常數(shù)較低，影響其諧振頻率的關(guān)鍵性參量是天線輻射貼片Length1和Length2的長度誤差△L。而用共面波導饋電的方式(CPW-feed)，地板大小的誤差也是影響諧振點和帶寬的關(guān)鍵參量。在使用HFSS仿真時發(fā)現(xiàn)，天線貼片幾何尺寸的微小變化引起了仿真結(jié)果比較大的變化。所以，制作天線過程中貼片的微小誤差，對結(jié)果會產(chǎn)生較為嚴重的影響。

(2)SMA接頭處焊接不良、接口處有能量損耗等因素也是帶來誤差的原因。在測過多個焊接好SMA接頭的天線時發(fā)現(xiàn)，測得的結(jié)果總會有一定的不同。

(3)阻抗不匹配。由于共面波導饋電端口的特性阻抗受介電常數(shù)和貼片厚度影響，仿真時，貼片厚度是0.1mm，計算得到的特性阻抗為50.2Ω，而實際貼片厚為0.035mm，計算得到的特性阻抗為56.1Ω，與SMA接口50Ω不完全匹配。

(4)從軟件的角度來分析，基于數(shù)值分析方法的HFSS軟件本身只能提供數(shù)值解，且受設定的運算精度的限制，仿真結(jié)果與實際情況間必然存在誤差，這種誤差是不可避免的。

(5)實驗室測量方法、儀器、環(huán)境也是帶來誤差的原因。在測天線時發(fā)現(xiàn)，當天線放在不同的位置，測得的數(shù)據(jù)不一樣；當用兩個不同的分析儀測量時，結(jié)果也不一樣；在微波暗室中，墻壁吸波不完全，同時也不能完全隔絕外界雜波。

4 結(jié)語

本文根據(jù)常見的倒L平面單極子天線進行改進，設計了一款共面波導饋電(CPW-feed)的平面單極子倒L-U形天線。并通過仿真設計其總體尺寸為22mm×35mm，達到小型化的目的。根據(jù)仿真，天線-10dB阻抗帶寬為2.36～2.58GHz，相對帶寬為8.9%和3.62～5.96GHz，相對帶寬為48.9%，滿足了WLAN的頻段要求。

作者：雷玉麟 張卉 張戎戎 來源：《現(xiàn)代電子技術(shù)》2011年19期

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