用于WLAN的雙頻天線的設計與實現

張學輝， 趙 雯， 劉學觀

（①煙臺大學 工程實訓中心，山東 煙臺 264005；②蘇州大學 電子信息學院，蘇州 江蘇 215006）

0 引言

無線局域網是一種可實現的高效數據無線傳輸的解決方式，實現用戶的可移動性。隨著WLAN技術的快速發展，要求現代無線產品具有“雙頻多模”特性，即能同時滿足IEEE 802.11a/b/g標準。因此，要求其天線具有雙頻段、寬阻抗帶寬、全向輻射、高增益等特點。

目前，許多學者提出了很多雙頻天線的形式。常用的有結構簡單的印刷單極天線，如倒F單極天線[1-2]、T型單極天線[3]等。這些印刷單極天線由兩個或更多的輻射帶組成，分別作用于不同的工作頻段，但一般這種天線的增益較小。另外，由于縫隙天線具有阻抗帶寬寬、增益高、隔離度好的優點，近來也頗有發展，如階梯形縫隙天線[4]、矩形縫隙天線[5]等。此外，Gerald R.Dejean[6]設計的應用于WLAN的八木陣列天線其增益可達10 dBi。

現在Rohith K. Raj[7]設計的雙頻共面天線的基礎上，基于寬縫天線理論，采用的是階梯結構的輻射面結合接地板的“工”型寬縫結構來實現雙頻天線。整個天線在42 mm×52 mm、介電常數為4.5、厚度為1.5 mm的FR4介質基片上實現。該雙頻天線具有頻帶覆蓋寬、反射系數小、全向覆蓋、尺寸小的優點。

1 天線設計

傳統的微帶寬縫天線是將矩形槽刻在接地板上，槽由下面的短路或開路的微帶線激勵。這種天線頻帶較窄，后來發展出T形微帶線饋電結構，使寬槽縫隙天線得到匹配，增大阻抗帶寬。現利用微帶縫隙天線的理論[8-9]，在傳統寬縫天線基礎上提出一種新的雙頻天線結構。該天線采用的是微帶饋電方法，正面是階梯形，如圖 1(a)所示，背面是“工”型縫隙結構，如圖1(b)所示。

該設計采用的是微帶線單點饋電的方法，那么，改變饋線的位置即改變S2的值，勢必會對整個天線產生一定影響。隨著S2的減小，即增大W4，2.4 GHz和5 GHz工作頻段均有右移，即變大。因此，此饋線可同時給2.4 GHz、5 GHz頻段饋電。而饋線為階梯形形狀主要起到一個調節阻抗匹配的作用。隨著W6的變小，2.4 GHz工作頻段略有左移；而5 GHz工作頻段阻抗帶寬變大。因此，可以通過微調W6來使5 GHz工作頻段滿足要求。小矩形的寬度W2和長度L2主要對5 GHz工作頻段產生影響。隨著W2的變大，2.4 GHz工作頻段保持不變，而5 GHz工作頻段右移，即變大。隨著L2的變大， 5 GHz工作頻段略左移，即變小，變化幅度很小。因此，該小矩形塊的主要作用是其寬度變化引起5 GHz工作頻段的變化。

在該設計中，L8主要影響5 GHz工作頻段，隨著L8的變小，阻抗帶寬明顯變小，并且會在4 GHz頻率附近產生阻抗不匹配的情況。而W8的變化，不僅影響5 GHz工作頻段，還作用于2.4 GHz工作頻段。隨著W8的變小，2.4 GHz工作頻段右移，即變大；而5 GHz工作頻段左移，即變小；另外在 4 GHz頻率附近亦有諧振出現，減小了天線的有用輻射能量。

該設計在接地板中采用了“工”字型，不同于一般縫隙天線的結構，其中W7的變化主要對高頻段產生影響，即隨著W7的變小，2.4 GHz工作頻段基本保持不變；而5 GHz工作頻段左移，即變小。

綜合上述幾點分析，在此雙頻天線中，有多個對5 GHz工作頻段產生影響的參數，而2.4 GHz工作頻段相對穩定。因此，在設計中，立足 5 GHz頻段的調節，兼顧 2.4 GHz頻段。

2 仿真與實測結果分析

根據上面的設計思路和方法，選擇介電常數為4.5厚度為1.5 mm的FR4材料做基底，通過仿真，綜合各項參數性能，最終經優化確定此款雙頻天線的尺寸為：W1=11，L1=29，W2=4.5，L2=5，W3=6，W4=24，L3=8，L4=9，L5=6，W5=5.1，W6=1.9，S1=5，S2=6，L6=10.5，W7=10，W8=40，W9=1，L7=16.8，L8=11.5，L9=13.2（單位:mm）。整個天線在 42 mm×52 mm的介質基片上實現，實物照片如圖2所示。所設計天線的仿真與實測回波損耗如圖3所示。

圖2 雙頻天線實物圖

很顯然，在2.4～2.56 GHz，5.05～6.37 GHz頻段內，回波損耗小于?10 dB，符合IEEE 802.11a/b/g 標準。2.4 GHz頻段天線最大增益為 4.06 dBi，5 GHz頻段天線最大增益為0.6 dBi，是均為全向輻射的天線。

3 結語

基于寬縫天線理論，提出了一款新的應用于WLAN能滿足IEEE 802.11a/b/g的頻段標準的雙頻天線。運用電磁仿真軟件詳細分析該天線各參數對天線性能的影響，并設計制作了相應的實物，結果表明：該雙頻天線具有阻抗帶寬寬、全向性、尺寸小等特點，具有實用潛質。

圖3 雙頻天線S11參數的仿真與實測結果

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