WLAN頻段印刷全向天線設計研究

湯慰

摘 要：本文以印刷串饋偶極子天線為核心，通過天線設計、仿真檢測及檢測結果分析，實現WLAN頻段印刷全向天線設計，強化其全向性，促進WLAN頻段印刷全向天線的應用，并為相關研究人員提供一定的借鑒和幫助。

關鍵詞：寬頻帶天線；印刷全向天線；串饋偶極子天線

中圖分類號：TN820 文獻標識碼：A 文章編號：1003-5168（2018）05-0056-02

Study on the Design of WLAN Band Printed Omnidirectional Antenna

TANG Wei

（Sichuan Jiuzhou Electric Appliance Refco Group Ltd，Mianyang Sichuan 621000）

Abstract： This paper taken printing series feed dipole antenna as the core， through the antenna design， the simulation and the analysis of the result， realized the design of WLAN full directional antenna， strengthened its omnidirectional， promoted the application of WLAN full directional antenna， and provided some reference and help for relevant researchers.

Keywords： broadband antenna；printing omnidirectional antenna；serial feed dipole antenna

現階段，全向天線主要應用于移動通信基站、廣播電視或是車載臺領域。在實際應用中，印刷串饋偶極子天線容易加工，生產成本較低，可以和有源器件進行連接集成，可以被大量應用于廣播或是組件無線網絡通信中。但就當前而言，以細振子臂為核心的印刷天線帶寬普遍過窄，限制了印刷天線的應用，再加上自身幾何結構不對稱，綜合作用低下，降低了天線全向性，達不到理想的應用效果。基于此，探究WLAN頻段印刷全向天線設計具有非常重要的現實意義。

1 WLAN頻段印刷全向天線設計

分析當前以細振子臂為核心的印刷天線的應用局限性，為了提高天線的全向性，在實際設計時，以WLAN802.11、802.11b/g/n協議為適用指標，設計2.4GHz頻段印刷全向天線，選擇平行雙線串聯饋電，以偶極子作為輻射單元，和抗阻變換器進行阻抗匹配。在選擇寬臂偶極子時，通過降低偶極子阻抗控制頻率變化幅度，就可以有效緩解天線幾何結構不對稱造成的不利影響。

1.1 平行雙線饋電

在設計印刷全向天線時，選擇平行雙線對印刷偶極子單元進行饋電，使得天線特性阻抗Z0可約等于介質厚度減半，在線寬一致的情況下，微帶線特性阻抗為Z1。微帶線和平行雙線電場示意圖如圖1所示。其中（b）的介質板上下兩側設置寬度為W的兩條金屬帶，這兩條金屬帶中電流相位差距約為180°，且相反方向。在實際運行中，平行雙線結構是微帶線電鏡像，設計人員根據相關計算公式明確線寬，使平行雙線達到最佳饋電效果[1]。

1.2 串饋偶極子天線

一般情況下，印刷全向天線要在介質基板上，其中介質基板的介電常數是2.65，厚度是1mm，中心頻率是2.4GHz。在實際運行過程中，設計人員可以借助平行雙線進行串聯饋電，構建二元直線陣，將輻射單元間距設計為中心頻率介質波長，使得兩個相同的輻射單元可以同向饋電，在各單元和陣軸垂直的方向上，單元輻射場無波程差，各單元場可以同相相加，達到最大值后，構成二元邊射陣，提高天線的全向性。從微觀角度看，天線輻射單元設計呈互補對稱結構，使得偶極子輻射單元分別位于介質板的兩側，形成雙面印制，上下兩個振子臂可以借助金屬化過孔相連，形成幾何結構對稱的印刷全向天線。

在應用該天線的過程中，介質板上下的振子臂以寄生結構運行，通過振子間不斷耦合，增加帶寬，彌補傳統印刷天線的缺陷和不足，提高天線的全向性。通過天線輻射單元中雙振子對稱結構，可以有效提高振子臂實際寬度，減緩振子天線輸入抗阻隨頻率的變化，進而提升抗阻帶寬。設計人員保證兩個輻射單元結構和參數尺寸的統一性，根據計算得知，輻射單元振子臂總長是工作頻率中自由空間波長的1/2左右。但在實際天線設計中，考慮到介質對天線的影響，振子臂長要比自由空間波長的1/2要小一點，符合天線設計要求，完成設計任務[2]。

1.3 天線增益設計

全向天線特指水平方向上可以達到360°均勻輻射，即為無方向性，在垂直方向上表現為有一定寬度的波束。一般情況下，波瓣寬度越小，增益越大。全向天線在移動通信系統中適用于郊縣大區制的站型。在實際設計中，預設天線單元增益是12dB，半波對稱振子天線增益則為2dB。參考天線基礎理論，列出公式：

[Gain=Ge+Ga] （1）

其中，[Gain]代表天線單元增益，[Ge]代表對稱振子天線增益，[Ga]代表天線列陣增益。由此得出天線陣列增值設計是10dB[3]。

為了實現陣列要求，設計人員要結合工程實現情況進行綜合考慮，以等間距均勻激勵邊射陣為主，使得N元邊射陣方向系數設計為：

[D=N2N+2m-1N-1N-mmkdsinmkd] （2）

其中，d代表陣元間距，k代表自由空間波數。由此可計算得出增益單元間距。

2 WLAN頻段印刷全向天線仿真測試

在仿真測試中，考慮實際工程中使用的同軸電纜饋線，形成部分耦合效應，整體輸入阻抗特性與單獨工作存在差異。在理論分析的基礎上，要借助設計參數，使用成熟的仿真軟件來輔助設計工作，得到設計成效。

2.1 抗阻帶寬測試結果

為了測試WLAN頻段印刷全向天線的應用效果，設計人員要對串饋偶極子天線開展仿真測試，當天線處于2.12～2.61GHz頻帶時，電壓駐波比在2以下的帶寬是20%；當天線處于2.19～2.56GHz頻帶間時，電壓駐波比在1.5以下，其寬帶是15%，此時阻抗帶寬為最佳水平。

2.2 天線結構測試結果

在天線結構測試中，當天線處于2.4GHz的情況下，設計人員分別對互補對稱結構天線和非互補對稱結構天線進行測試，對比二者H面方向檢測結果可知：非互補對稱結構的天線在實際運行中，天線H面不圓度是2.1dB，而互動對稱結構的天線H面不圓度是1.3dB，減少了0.8dB，應用效果最佳。

2.3 全向特性測試結果

明確天線最佳的電壓駐波比、天線結構后，設計人員要從頻帶范圍入手，對天線在2.3GHz、2.4GHz、2.5GHz頻帶工作時開展天線全向特性測試，結果顯示：設計頻段中天線水平面不圓度持續較低，證明本文所設計的天線具備極強的全向特性，滿足應用標準。

3 WLAN頻段印刷全向天線實物檢測

為了明確WLAN頻段印刷全向天線設計成效，在仿真檢測的基礎上，設計人員要開展實物檢測工作，將設計好的天線加工成實物，右側設計成天線正面，而左側則是天線面，輸入端SMA接頭內導體連接天線正面輸入端，同時內導體連接天線背面。對測得的天線電壓駐波比進行研究可知，2.1～2.7GHz頻段內，天線電壓駐波比在2以下，其帶寬為26%，實物檢測結果優于仿真測試結果[4]。

4 結語

本文通過分析WLAN頻段印刷全向天線設計，選擇平行雙線進行輻射單元串聯饋電，構建二元邊射陣，提高天線的全向性。與此同時，選擇互補對稱天線結構，使偶極子輻射單元分別位于介質板的兩側，連接兩側振子臂，增加帶寬實際寬度，彌補傳統印刷天線的缺陷和不足，提高天線的全向性。對設計完成的天線進行仿真測試，從抗阻帶寬測試、天線結構測試、全向特性測試等方面入手，并根據設計制作實物，開展實物檢測，結果顯示：低于2的電壓駐波比，其帶寬是26%，阻抗帶寬最佳，優于仿真測試結果，說明本文設計的天線具備極強的全向性，實現WLAN頻段印刷全向天線設計的最終目標。

參考文獻：

[1]商鋒，隋志軼.WLAN頻段印刷全向天線設計[J].西安郵電大學學報，2017（5）：11-14.

[2]黃睿哲.多頻段平面印刷天線的研究與設計[D].西安：西安電子科技大學，2016.

[3]任學施.平面印刷天線分析與設計[D].西安：西安電子科技大學，2016.

[4]陳藝萱.雙頻水平極化全向印刷天線的研究[D].南京：南京理工大學，2018.