應(yīng)用于WLAN的小型化雙頻微帶天線設(shè)計

中國電子科技集團(tuán)公司第五十四研究所 鄒火兒 韓國棟

1.引言

無線局域網(wǎng)(Wireless Local Area Network，WLAN)作為有線聯(lián)網(wǎng)方式的擴(kuò)展，是無線通信技術(shù)和計算機(jī)網(wǎng)絡(luò)結(jié)合的產(chǎn)物[1,2]。無線局域網(wǎng)(WLAN)具有低成本、高吞吐量等特點，能與高速發(fā)展的互聯(lián)網(wǎng)業(yè)務(wù)緊密結(jié)合，為用戶提供高速便捷的無線上網(wǎng)服務(wù)。由于互聯(lián)網(wǎng)高度發(fā)展，WLAN迅速在全球普及。目前，手機(jī)，筆記本，以及各種電子產(chǎn)品中已經(jīng)集成了WLAN無線上網(wǎng)模塊，使人們可以隨時隨地的享受無線高速的網(wǎng)絡(luò)，為人們提供了非常大的方便。

天線是WLAN中極其重要的組成部分，天線的優(yōu)劣直接影響系統(tǒng)中數(shù)據(jù)傳輸質(zhì)量。微帶天線以其體積小、重量輕、低剖面、易共形、制造簡單、成本低、易與微帶線路集成等一系列優(yōu)點，在WLAN中得到了廣泛的應(yīng)用，其形式也是多種多樣，但基本上以微帶貼片的異形結(jié)構(gòu)、開槽結(jié)構(gòu)和縫隙結(jié)構(gòu)為主[3-7]。不失特殊性，本文針對WLAN的具體需求，在微帶貼片天線的基礎(chǔ)上，設(shè)計了一種矩形開槽雙頻微帶天線，研究了該天線主要參數(shù)對天線性能的影響，優(yōu)化了天線設(shè)計。

2.天線設(shè)計

設(shè)計一矩形開槽微帶天線，天線輻射貼片形狀如圖1(a)所示。天線僅需一層介質(zhì)基片，從圖1(a)中AA'看過去的橫截面如圖1(b)所示。介質(zhì)基片采用普通的FR4板材，相對介電常數(shù)rε=4.4，損耗角正切tanδ=0.02，厚度h=1.6mm。

圖1 天線結(jié)構(gòu)示意圖

圖2 矩形微帶貼片天線的S11參數(shù)曲線

借助于電磁場仿真軟件，通過多次反復(fù)仿真，最終獲得了較為合適的參數(shù)：矩形貼片長L=25mm，寬W=16mm；矩形槽寬度s=1mm，槽間距d=5.5mm；凸形槽距離貼片左右邊緣的距離d2=0.5mm，距離上下邊緣的距離d1=2mm，凸形槽的上邊長l1=10mm，凸形槽突出的部分長w2=0.5mm，寬l2=1mm；饋電點位于距離中垂線df=4mm處，整個模型是完全對稱的。通過仿真得到該雙頻天線的諧振中心頻率及帶寬特性如圖2所示。

圖3 天線輻射方向圖

由圖2可知，該雙頻天線的諧振點頻率為2.43GHz和5.24GHz，具有很好的雙頻特性。同時在S11<-10dB標(biāo)準(zhǔn)下，帶寬分別為63MHz和105MHz，基本覆蓋了2.4GHz的ISM波段(2.4GHz-2.4835GHz)和5.25GHz的ISM波段(5.15GHz-5.35GHz)。圖3給出了天線在頻率f=2.43GHz時的E面和H面輻射方向圖。依據(jù)上述電磁仿真結(jié)果中的天線尺寸，完成天線制作，如圖4所示。

圖4 矩形微帶貼片天線實物圖

為了驗證圖4所示天線實際接收信號的能力，將制作好的天線與外置無線網(wǎng)卡相連，關(guān)閉筆記本電腦內(nèi)置網(wǎng)卡，測試得到的無線網(wǎng)絡(luò)信號如圖5所示。

圖5 TP-LINK網(wǎng)卡自帶天線測試過程

從圖5可以看出，在WLAN信號覆蓋的空間某一位置，用TP-LINK網(wǎng)卡自帶天線測試的接收信號強度為-44dBm。在保持其它條件不變的情況下，在TP-LINK網(wǎng)卡中換上本文設(shè)計的微帶天線，測試結(jié)果如圖6所示。

圖6 TP-LINK網(wǎng)卡結(jié)合本文設(shè)計天線測試過程

圖5和圖6所示測試結(jié)果對比可以看出，本文設(shè)計的矩形微帶貼片天線接收信號能力比TP-LINK網(wǎng)卡自帶天線強，在同一位置，TPLINK網(wǎng)卡自帶天線接收信號強度為-44dBm，而該矩形微帶貼片天線接收的信號強度可達(dá)到-37dBm。

3.天線特性分析

通過在天線輻射貼片開槽來實現(xiàn)天線的小型化及雙頻工作，下面主要討論槽的大小對天線S11的影響。

3.1 矩形槽槽間距d的影響

為了探討矩形槽槽間距d對天線諧振特性的影響，分別取d=1mm，d=5.5mm，d=10mm，d=15mm，得到的S11參數(shù)的結(jié)果如圖7所示：

圖7 改變矩形微帶貼片天線矩形槽槽間距d對天線諧振特性的影響

由圖7可知，改變矩形槽槽間距d對低端的諧振頻率有明顯的影響，隨著槽間距d的增大，低端諧振頻率不斷增大，而高端諧振頻率基本保持不變，即槽間距主要影響低端的諧振特性，這樣可以通過調(diào)節(jié)矩形槽槽間距來獲得所需的低端諧振頻率。另外，因為只有一端的頻率在變，可以認(rèn)為這是微調(diào)雙頻比的一種好方法，易于調(diào)節(jié)。

圖8 改變矩形微帶貼片天線凸形槽上下邊距d1對天線諧振特性的影響

3.2 凸形槽與貼片上下邊緣距離d1的影響

凸形槽與天線輻射貼片上下邊緣的距離分別取d1=1mm，2mm，3mm，計算出天線的反射系數(shù)S11，如圖8所示。

由圖可知，隨著d1的增大，低端的諧振頻率基本保持不變，高端的中心諧振頻率明顯增大，即邊距d1僅對高端諧振頻率產(chǎn)生明顯響應(yīng)，可以通過調(diào)整d1對雙頻比進(jìn)行微調(diào)。

4.結(jié)束語

本文在微帶天線基本結(jié)構(gòu)的基礎(chǔ)上，通過在微帶天線中間開矩形槽、兩端開凸形槽，實現(xiàn)了天線的小型化和雙頻工作。設(shè)計了一種應(yīng)用于WLAN的小型化雙頻段微帶天線，分析了槽參數(shù)對天線性能的影響。微帶天線輻射貼片尺寸為16mm×25mm，天線結(jié)構(gòu)簡單，F(xiàn)R4介質(zhì)成本較低，加工方便，有著廣泛的應(yīng)用前景。

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