應用于WLAN的小型微帶天線

摘 要： 為了滿足手機無線局域網（WLAN）通信技術的要求，設計了一個三頻段單極子貼片天線，通過2個L形支路產生雙頻輻射。并用軟件對該天線進行仿真優化，實現了2.4 GHz、5.2 GHz和5.8 GHz三頻段的同時工作，而且該天線結構簡單，由L形貼片組合形成，體積小，所占面積為14.5 mm×16.5 mm。仿真結果表明，該天線的尺寸和性能可以在手機WLAN通信系統得到良好的應用

關鍵詞： WLAN； 共面波導； 小型微帶天線； 單極子貼片天線

中圖分類號： TN828.6?34 文獻標識碼： A 文章編號： 1004?373X（2014）02?0071?03

0 引 言

隨著現代科技的迅速發展，各種通信設備、互連方案應運而生。相對于傳統的有線網絡，無線網絡具有可移動性、靈活性、費用低且安裝簡單。目前最有效的無線接入網絡之一的無線局域網（Wireless Local Area Networks，WLAN）成為近年來的研究熱點。WLAN利用無線通信技術在空中傳輸數據、信息等，用戶可以隨時隨地交換信息。目前的WLAN天線主要應用于三個頻段：2.4 GHz（2.4～2.484 GHz），5.2 GHz（5.15～5.35 GHz），5.8 GHz（5.725 ～5.825 GHz）。

近年來，WLAN天線的低成本、小型化和易加工的實際需要引起了人們的廣泛研究，各種小型化多頻段WLAN天線相繼提出[1?6]。基于微帶饋電的倒L平面單極子天線[7?8]，本文提出了一種利用不對稱共面波導[7，9?10]饋電的平面天線，該天線尺寸更小、結構更簡單且易加工，通過2個L型微帶結構組合，完全覆蓋了WLAN 2.4 GHz/5.2 GHz/5.8 GHz的工作頻段，在低頻和高頻分別獲得了175 MHz（2 404～2 579 MHz）和1 030 MHz（4 901～5 931 MHz）的帶寬，滿足了手機天線反射系數-10 dB的要求。通過電磁仿真軟件對天線進行優化后，仿真結果表明，本文提出的天線達到了設計要求，驗證了該設計天線的可行性。

1 天線的結構設計

WLAN天線形式多樣，有平面單極子天線、微帶天線等。本文所設計的單極子天線由兩條支路組成，分別形成高頻、低頻諧振。天線實現多頻的方法很多，包括單一貼片利用不同的自然模式來實現多頻，通過加載或開槽改變場分布實現多頻、采用多貼片產生多諧振。本文所設計的天線采用不對稱共面波導進行饋電和阻抗匹配，達到寬頻帶的要求。

本文所設計的天線結構如圖1所示。

該天線的整體尺寸為14.5 mm×16.5 mm，印制于介電常數為4.4，厚度為1.2 mm，尺寸為60 mm×120 mm的FR4介質基板上。WLAN天線僅位于基板左上角，所占面積很小，該基板其余空白位置可用來放置GPS，GSM，LTE等天線，完成手機天線所需其他頻段要求。圖2為WLAN天線的具體尺寸參數。本文采用不對稱共面波導進行饋電，完全覆蓋了WLAN天線的工作頻段。

2 天線優化與結果分析

利用三維電磁仿真軟件對該天線進行仿真優化。天線主要參量優化設計如圖3所示，圖3（a）為支路1長度p為對反射系數的影響，圖3（b）為反射系數隨支路2長度k的變化。由圖可以看出，短支路長度p主要影響天線高頻諧振點，長支路長度k主要影響天線低頻諧振點。為了滿足WLAN天線的頻段要求，本文選取p=2 mm， k=16.5 mm。由于影響天線輻射特性的變量較多，本文優化好兩個參數后，保持這兩個參數不變，再優化另外兩個參數，這樣既提高準確度，又加快了優化速率。

圖4分別為天線在低頻2.4 GHz和高頻5.8 GHz時的電流分布。電流最強的地方代表影響該頻率的主要部分。由圖比較可以看出低頻主要受支路2控制，高頻主要由支路1產生。電長度與其產生的諧振點的高低存在反比關系。

圖3 天線主要參量優化設計

圖4 天線表面電流分布

圖5分別為天線工作于2.4 GHz、5.8 GHz時在xOz平面與yOz平面的二維輻射方向圖。由圖可以看出基本符合全向輻射特性，但是由于饋電部分對輻射貼片的影響和仿真軟件運算精度的限制，存在部分誤差。

圖6為該天線的輻射效率和總效率，在2.4 GHz，5.2 GHz和5.8 GHz點的效率分別為88%，89%和80%，但是在實際情況中，由于環境等外在條件的干擾，天線效率會低于仿真值。

3 結 論

本文提出了一種采用雙支路結構的應用于手機的小型WLAN天線，通過地板開槽、加載短路面、不對稱共面波導饋電方法達到了低頻和高頻分別為175 MHz和1 030 MHz的帶寬。其增益、效率均表明該天線滿足手機WLAN天線寬頻帶、小型化和易加工的要求，在手機通信領域具有廣闊的應用前景。

圖5 天線在xz面的方向圖

圖6 天線的輻射效率和總效率

參考文獻

[1] GUO Y X， LUK K M， LEE K F. A dual?band patch antenna with two U?shaped slots [J]. Microwave and Optical Technology Letters， 2000， 26（2）： 748?751.

[2] KUO Yenliang， WANG Kin?lu. Printed double?T monopole antenna for 2. 4 /5. 2 GHz dual?band WLAN operations [J]. IEEE Transactionson Antennas and Propagation， 2003， 51 （9）： 218?2192.

[3] LIN Yi?fang， CHEN Horng?dean， CHEN Hua?ming. A dual band printed L?shaped monopole for WLAN applications [J]. Microwave Opt Technol Lett， 2003， 37（3）： 214?216.

[4] HERRAIZ?MARTINEZ F J， GARCIA?MUNOZ L E， GONZALEZ?OVEJERO V， et al. Dual?frequency printed dipole loaded with split ring re?sonators [J]. IEEE Antennas and Wireless Propagation Letters， 2009， 8： 137?140.

[5] HONG Tao， GONG Shu?xi， LIU Ying， et al. Monopole antenna with quasi?fractal slotted ground plane for dual?band applications [J]. IEEE Antennas and Wireless Propagation Letters， 2010， 9： 595?598.

[6] MACI S， GENTILI G B.Dual?frequency patch antennas [J].IEEE Antennas and Propagation Magazine， 1997， 39（6）： 13?20.

[7] LIU W C. Wideband dual?frequency double inyerted?L CPW?fed monopole antenna for WLAN application [J]. IEEE Proc?Microw Antenna Propag， 2005， 152（6）： 505?510.

[8] JAN Jen?Yea， TSENG Liang?Chih. Small planar monopole antenna with a shorted parasitic inverted?L wireless communication in the 2.4， 5.2 and 5.8 GHz bands [J]. IEEE Transactions on Antennas and Propagation， 2004， 52（7）： 1903?1905.

[9] CHAIMOOL S， CHUNG K L. CPW?fed mirrored?L monopole antenna with distinct triple bands for WiFi and WiMAX applications [J]. Electronic Letters， 2009， 45： 928?929.

[10] 雷玉麟，張卉，張戎戎.應用于WLAN的寬頻帶天線設計[J].現代電子技術，2011，34（19）：87?90.