應用于WLAN的寬頻帶天線設計

摘 要：為了設計出可以覆蓋無線局域網WLAN的2.4 GHz，5.2 GHz，5.8 GHz三個頻帶的天線，采用一種結構簡單的寬帶雙頻共面波導饋電的單極子天線。該天線由一個平面倒L形和一個倒U形貼片連接構成，實際加工制作了一個天線并且實測了S11參數，結果表明該天線具有兩個獨立的諧振模式，并且在應用范圍內具有良好的阻抗匹配特性。

關鍵詞：共面波導饋電; 無線局域網; 雙頻段天線; 寬頻帶

中圖分類號：

TN82-34

文獻標識碼：A

文章編號：1004-373X(2011)19

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Design of Wideband Antenna for WLAN Application

LEI Yu-lin1， ZHANG Hui2， ZHANG Rong-rong2

(1.Transmission Station of Tianshui City， Tianshui 741000， China;

2.School of Information Engineering， Communication University of China， Beijing 100024， China)

Abstract： In order to design the antennas of 2.4 GHz，5.2 GHz and 5.8 GHz which can cover WLAN， a simple monopole antenna with broad band， dual-frequency and CPW feed is presented. It is consisted of inverted L-shaped planar and inverted U-shaped patch element. The structure and S11 parameter are measured. The results show that the antenna has two independent resonance modes， and has well impedance matching performance in application range.

Keywords： CPW-fed; WLAN; dual-frequency antenna; wide band

收稿日期：2011-04-11

0 引 言

無線局域網WLAN(Wireless Local Area Network)是利用無線技術實現快速接入以太網，是無線通信技術與計算機網絡相結合的產物，是對有線局域網的一種補充和擴展。和有線網絡相比，WLAN具有可移動性、靈活性、更迅速、費用低、網絡可靠性高等優勢。近年來，隨著IEEE 802.11a(5.15~5.35 GHz，5.725~5.825 GHz)和IEEE 802.1lb/g (2.4~2.483 5 GHz)標準的提出，WLAN得到了迅猛發展．與此同時對WLAN天線的要求也越來越高，要求其體積小、重量輕、生產加工便捷、天線成本低廉，同時在功能上要求使用頻寬較寬以及有雙頻性能以同時達到IEEE 802.11a/b/g標準要求。所以，近年來對小型化的多頻段WLAN天線的研究大量涌現［1-6］。

在平面單極子天線中，有一種倒L形平面單極子天線［7-8］，國際上已經對此進行了研究，在理論模擬仿真上，可以同時滿足IEEE 802.11a/b/g標準要求，其設計形式更簡單，在滿足帶寬的要求上，體積還可進一步的縮小。所以，本文將在原來的微帶饋電的倒L平面單極子天線的基礎上，改變其饋電的形式，研制出一種共面波導饋電的倒L-U平面單極子天線。仿真和實測表明該天線在WLAN的三個頻帶范圍內均具有很好的阻抗匹配和輻射特性。

1 倒L-U平面單極子天線的設計

1.1 天線分析與設計

WLAN天線形式有很多種，比如微帶天線，八木天線、平面單極子天線等等。選擇平面單極子天線［9］的原因是，相對于微帶天線，其帶寬大；相對于八木天線，其體積小且容易共形。平面單極子天線與微帶天線的結構不同在于：在金屬輻射貼片對應的介質襯底另一側的金屬地板被去除，也就是采用了部分地板結構。微帶天線的帶寬低，因為其Q值大，即在輻射板與地板之間儲存了大量的能量。平面單極子天線的輻射板的對應地板去除了，加大了輻射電阻，輻射出去的能量也大大的增加，Q值變小，帶寬增大。選擇共面波導饋電的形式，將地板與輻射板共面，使得帶寬又增大了，而且結構更緊湊。但是由于天線與共面波導之間缺少有效的隔離，造成天線性能受共面波導尺寸的影響較嚴重。

本文所設計的平面波導饋電(CPW-feed)的單極子倒L-L形天線如圖1所示，由于Length1的長邊過于長，使整個板子的面積較大，本文通過曲流技術中的折疊技術，將Length1的長邊又進行了橫向折疊，如圖2所示，即共面波導饋電(CPW-feed)的平面單極子倒L-U形天線。折疊后的尺寸較之原先有了較大的縮減。

圖1 平面單極子倒L-L天線圖形

圖2 平面單極子倒L-U天線圖形

1.2 天線仿真結果分析

應用Ansoft HFSS仿真軟件，對圖2所示的天線進行仿真。根據文獻［7-8］的設計經驗，饋線寬度選擇為3 mm，介質板采用了最為常用的FR-4，其相對介電常數為4.4，厚度為1.6 mm。另外應用軟件AppCAD 2.0，計算出共面波導饋電結構的特性阻抗為50 Ω時，饋線與地板之間的縫隙寬度約為0.6 mm。

天線電流傳輸方向的長度可以通過公式估算，本文所設計的天線需滿足覆蓋兩個頻段的要求，其中一個頻段覆蓋2.4 GHz，另一個頻段覆蓋5.2 GHz和5.8 GHz。因此本文選擇兩個中心諧振點頻率分別為2.45 GHz和5.25 GHz。根據計算［10］可知對應于2.45 GHz的Length1=29.15 mm，對應于5.25 GHz的Length2=13.61 mm。由圖2可知，Length1=W2+L2+L5/2應約等于29.15 mm，Length2=L4+L5/2需略大于13.61 mm。為了使整體結構緊湊、小型化、寬帶化，本文將對天線結構中的個別參數對天線性能的影響做仿真分析并加以比較。

本文通過分析地板寬度W7、輻射貼片處的橫條寬度W3、輻射貼片與地板之間的縫隙W4、U形片的W2 長度以及L形片的L4長度等幾個參數的變化對天線S11頻率特性的影響，經過一系列的優化對比，得出以下數據，如表1所示。優化后仿真所得的天線的仿真性能參數S11，VSWR以及遠區場的方向圖如圖3~圖7所示。

由上述可知，該共面波導饋電的平面單極子倒L-U天線具有高阻抗帶寬、小型化的顯著特點，其在-10 dB處的阻抗帶寬有兩段，分別為2.36~2.58 GHz和3.62~5.96 GHz，前一段的相對帶寬為8.9%，后一段的相對帶寬為48.9%，覆蓋了WLAN的工作頻帶。

2 天線的制作與測試結果

天線實物如圖8所示。

圖8 天線實物圖

參數S11仿真與實測結果對比圖，如圖9所示，可以看出，實測結果與仿真結果對比在高頻段有較大的偏差，低頻段較為吻合。

圖9 實測與仿真的S11頻率特性對比圖

3 誤差分析

由實驗測試結果可以看出，實際制作的WLAN寬頻帶天線的回波損耗與HFSS仿真軟件的模擬結果存在一定誤差。以下從五個方面分析造成誤差的原因。

(1) 對于介電常數而言，高介電常數基板的關鍵參數是εr，因此準確的測定εr，是非常必要的；制作時所選用的基板的介電常數較低，影響其諧振頻率的關鍵性參量是天線輻射貼片Length1和Length2的長度誤差 ΔL。而用共面波導饋電的方式(CPW-feed)，地板大小的誤差也是影響諧振點和帶寬的關鍵參量。在使用HFSS仿真時發現，天線貼片幾何尺寸的微小變化引起了仿真結果比較大的變化。所以，制作天線過程中貼片的微小誤差，對結果會產生較為嚴重的影響。

(2) SMA接頭處焊接不良、接口處有能量損耗等因素也是帶來誤差的原因。在測過多個焊接好SMA接頭的天線時發現，測得的結果總會有一定的不同。

(3) 阻抗不匹配。由于共面波導饋電端口的特性阻抗受介電常數和貼片厚度影響，仿真時，貼片厚度是0.1 mm，計算得到的特性阻抗為50.2 Ω，而實際貼片厚為0.035 mm，計算得到的特性阻抗為56.1 Ω，與SMA接口50 Ω不完全匹配。

(4) 從軟件的角度來分析，基于數值分析方法的HFSS軟件本身只能提供數值解，且受設定的運算精度的限制，仿真結果與實際情況間必然存在誤差，這種誤差是不可避免的。

(5) 實驗室測量方法、儀器、環境也是帶來誤差的原因。在測天線時發現，當天線放在不同的位置，測得的數據不一樣；當用兩個不同的分析儀測量時，結果也不一樣；在微波暗室中，墻壁吸波不完全，同時也不能完全隔絕外界雜波。

4 結 語

本文根據常見的倒L平面單極子天線進行改進，設計了一款共面波導饋電(CPW-feed)的平面單極子倒L-U形天線。并通過仿真設計其總體尺寸為22 mm×35 mm，達到小型化的目的。根據仿真，天線-10 dB阻抗帶寬為2.36~2.58 GHz，相對帶寬為8.9%和3.62~5.96 GHz，相對帶寬為48.9%，滿足了WLAN的頻段要求。

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