新型寬頻帶多頻段WiFi天線的設計

摘 要： 基于無線WiFi網絡應用，設計一款適用于WiFi頻段的寬頻帶多頻段終端偶極天線。采用偶極天線設計原理來實現WiFi多頻帶，同時在天線結構正下方對天線進行耦合加載，實現駐波疊加以拓寬天線的帶寬，降低天線的駐波比（VSWR）， 提高WiFi天線的增益（Gain）以提高天線的性能。制作加工了WiFi天線實物且實測，結果表明，基于HFSS仿真結果與實物實測的結果相當吻合，因此設計的這款天線非常適用于WiFi移動終端。

關鍵詞： 駐波比降低； 寬頻帶； 多頻段； WiFi； 偶極天線

中圖分類號： TN822?34 文獻標識碼： A 文章編號： 1004?373X（2013）07?0086?03

0 引 言

隨著移動互聯網數據通信飛速發展，寬帶無線接入技術得到快速發展及應用，如WiFi、藍牙技術（Bluetooth）等，高速率的寬帶接入技術不斷發展提速，一方面廣泛利用現有頻率資源（如2.4 GHz，5.8 GHz工作頻段）來實現高的數據接入速率，目前隨著個人數據通信的發展，對無線網絡通信的需求不斷提高，作為極有應用前景的通信技術，設計工作在IEEE 802.11b協議標準移動終端天線頻段范圍為2.4～2.482 5 GHz，中心頻率為2.44 GHz；在IEEE 802.11a協議標準移動終端天線工作頻段范圍為5.15～5.825 GHz，中心頻率約為5.49 GHz。

近年來，半波偶極子天線得到廣泛應用，基于半波偶極子天線的原理，本文設計一種基于平面型微帶結構的偶極天線，微帶結構的長度約為1/2個工作波長，加載偶極天線中間的兩個相鄰端口上激勵起等幅反向的電壓信號。從中心饋電的非對稱微帶偶極天線，其兩端為開路，故電流為零。由于天線輻射貼片結構正下方有耦合貼片加載，可以大大減少天線的尺寸及增加天線的帶寬，偶極天線還有結構容易加工，制作簡單，成本低的優勢。因此，在目前的移動通信終端系統里，尤其是移動終端的廣泛使用，按照IEEE 802.11a及IEEE 802.11b協議WiFi移動終端天線的指標要求，創新地設計性能優越的微帶偶極結構天線，采用高頻電磁仿真軟件（HFSS）對天線結構尺寸仿真優化，并加工實物實測天線的性能與仿真分析的結果相當吻合。

1 WiFi天線設計

WiFi天線設計采用基于偶極天線輻射原理，用半波長非對稱微帶線結構來實現，為了進一步縮小天線的尺寸，可以采用非對稱的微帶線結構和間隙電磁耦合加載，以滿足移動終端天線的空間結構。

為設計的微帶偶極天線的結構模型，整個WiFi天線結構模型大致分為以下幾個部分，即介質層（FR4_epoxy）、低頻（2.44 GHz）偶極子天線、高頻（5.49 GHz）偶極子天線、微帶饋線、耦合微帶貼片。根據偶極天線原理理論分析，其諧振頻率大約估算為：

[f=c4ε?l] （1）

式中：c為光速；[l]為偶極天線臂長；[ε]為填充介質介電常數。

天線的結構示意圖

文中創新地采用了耦合貼片加載的方法拓寬天線高頻段的帶寬，為便于后續的天線參數化分析，即分析天線的各個參數對天線性能的影響，采用HFSS設計建模時首先定義天線的結構變量，使用參數掃描分析優化天線的結構尺寸，以滿足設計要求的天線參數。最終優化天線幾何參數如表1所示，天線采用50 [Ω]微帶饋電網絡。文中在微帶貼片天線的基礎上設計適用于WiFi終端的寬頻帶天線，采用介電常數為[ε]=4.4，厚度為[h]=1 mm的PCB。

天線結構參數尺寸表

[參數＼數值 /mm＼參數＼數值 /mm＼W1＼2.9＼L4＼9.18＼W2＼1＼L5＼2.1＼W3＼2.36＼L6＼8.7＼W4＼3.5＼L7＼2.17＼W5＼2.1＼L8＼6.8＼L1＼22.7＼L9＼2＼L2＼11.35＼L10＼9.3＼L3＼2.17＼L11＼2＼Y1＼11＼L12＼0.7＼[Ya]＼0.89＼X3＼2.36＼X1＼2.36＼Y3＼8＼]

2 天線仿真分析結果

采用Ansoft HFSS 軟件進行建模仿真分析，從圖2仿真曲線來看，去掉耦合貼片時，低頻段的帶寬及諧振效果變化不明顯，高頻段諧振深度大大增加，諧振效果變好，但高頻段帶寬不能滿足天線的設計要求，天線正下方加載耦合貼片時，利用電磁耦合方法來實現天線輻射源與寄生貼片之間耦合，實現改變天線的諧振回路，能夠形成多個諧振回路，因而具有多個諧振頻率，從而展寬高頻段天線的帶寬，適當優化調節天線各項參數能夠得到多個比較接近的諧振頻率，以形成頻帶拓寬的多峰諧振網絡。有利于增加天線的高頻段帶寬。

去掉耦合貼片回波損耗S11仿真曲線對比圖

工程上通常以天線的-10 dB為天線的工作帶寬，工作頻段為2.31～2.57 GHz，4.66～10 GHz，相對帶寬分別為10.65%，97%。從圖2，圖3可知：天線諧振頻率點在2.44 GHz，仿真分析回波損耗值為-23.06 dB，實測回波損耗值為-38 dB， 由于仿真模型與實際天線結構有差異，對比可知，實測性能相比于仿真性能更好。

可知，天線的諧振點在5.49 GHz，此時的回波損耗值為-16.58 dB，明顯可以看出，加了耦合貼片加載，低頻段的工作帶寬基本沒影響，大大增加了天線高頻段的工作帶寬，并且大大降低了回波損耗值。由圖4，圖5可知，2.44 GHz諧振點的增益達到2.17 dB，5.49 GHz諧振點的增益達到4.15 dB，可知滿足WiFi天線設計的指標要求。天線加工實物

2.44 GHz增益圖

5.49 GHz增益圖

天線加工實物圖

3 結 語

本文設計一款新型的WiFi終端天線，基于傳統偶極微帶結構天線的分析與改進，設計一款非對稱偶極天線微帶結構。利用電磁耦合加載方法，實現加載耦合貼片不僅拓寬天線的高頻段帶寬，而且減少了天線的物理尺寸，使天線在高頻段頻帶內有很好的匹配效果，還可以增強天線的前向輻射。并對天線的性能做仿真實測分析，結果表明，該天線的各項性能指標完全滿足協議中對WiFi終端天線的要求，同時該天線結構簡單，加工容易并且成本低廉，具有很好的應用前景。

參考文獻

[1] 李明洋，劉敏，楊放.HFSS天線設計[M].北京：電子工業出版社，2011.

[2] HETTAK K， Delisle G Y， Stubbs M G. A novel variant of dual polarized CPW fed patch antenna for broadband wireless comunictions [C]// 2000 IEEE Antennas and Propagation Society International Symposium. Salt Lake City， UT， US： IEEE， 2000： 286?289.

[3] 鐘順時.微帶天線理論與應用[M].西安：西安電子科技大學出版社，1991.

[4] 林昌祿.近代天線設計[M].北京：人民郵電出版社，1990.

[5] 方大剛.天線理論與微帶天線[M].北京：科學出版社，2006.

[6] 阮成禮.超寬帶天線理論與技術[M].哈爾濱：哈爾濱工業大學出版社，2006.