WLAN小型雙頻微帶天線的設計與分析

汪仲清，曹 昶，鄔墨家，李 寶

(重慶郵電大學a.數理學院;b.光電工程學院，重慶 400065)

無線局域網(Wireless Local Area Network，WLAN)是利用無線技術實現快速接入以太網的技術。3G通信在國內開始商用以后，各地廣泛采用3G+WLAN的混合組網策略，使得WLAN的應用非常廣泛。2009年通過的新一代無線局域網標準IEEE 802.11n將WLAN的傳輸速率由原來的54 Mbit/s提高到300 Mbit/s，最高可達600 Mbit/s，使得WLAN的應用更具價值和前景，發展也更加迅猛。天線作為系統最重要的設備前端，直接影響著WLAN的整體性能。IEEE規定WLAN的工作頻段為(2.40～2.4835 GHz)，(5.15 ～5.35 GHz)，(5.725 ～5.825 GHz)，這要求WLAN天線必須滿足多頻特性;從實用性和實際需求考慮，天線應實現小型化。微帶天線易于實現多頻，具有體積小、重量輕、剖面低、能與載體共型、成本低等優點［1］，而在 WLAN 中廣泛采用。

近年來，針對多頻和小型化出現了很多的研究方法。貼片開槽和采用雙層貼片的結構是實現雙頻最常用的兩種方法［2］。Lin R J等人采用貼片加載U型槽和T型槽的方法實現了雙頻［3］，但是貼片尺寸較大，達到46 mm×30 mm。鐘琪山等人采用貼片加載環形槽，微帶線饋電的方法進行設計［4］，天線尺寸較大且沒有覆蓋WLAN要求的頻段(5.725～5.825 GHz)。劉長軍等人采用了雙層貼片結構［5］，沒有覆蓋(2.40～2.4835 GHz)頻段而且增加了天線的高度;對天線小型化常用的方法是在接地板和輻射貼片之間加載短路面或短路探針［6］。以上這些方法可以很好地解決天線的多頻、小型化等要求，只是單獨使用不能有效解決實際中的多個問題。

在綜合考慮以上研究的基礎上，本文采用貼片開槽、加載短路面、空氣腔和同軸探針饋電方法設計了一種應用于WLAN的小型雙頻微帶天線。在低頻端和高頻端阻抗帶寬分別達到200 MHz和1050 MHz，能夠完全覆蓋IEEE 802.11a/b/g/n所對應的工作頻段。2.45 GHz和5.2 GHz增益分別達到3.8 dB和8.8 dB，滿足了天線高增益的需求。貼片尺寸為24 mm×20 mm，實現了天線的小型化。

1 天線結構設計

本文所設計的天線結構如圖1所示。

圖1 天線的俯視圖與側視圖

貼片開U型槽改變了貼片表面的電流分布，使天線具有雙頻效應，同時縫隙引入的容抗與同軸探針的感抗相抵消，從而展寬了頻帶帶寬。而在貼片與接地板之間引入短路面，相當于在天線貼片與接地板之間形成了一個電壁，使得天線的諧振頻率急劇減小，從而減小天線的尺寸。基板厚度的增加會導致輻射電導的增加，使得天線Q值下降進而展寬頻帶;相對介電常數εr減小時，介質對場的“束縛”減小，易于輻射，這樣將使輻射對應的Q值下降、頻帶變寬［7］。經過以上分析，本文選用Taconic TLY(εr=2.2)做介質基板。

在普通矩形微帶天線的設計中，可以根據所要求的帶寬和中心頻率，由以下公式求出天線的基本尺寸

式中:c為光速;f0為天線的中心頻率;εe為介質的等效介電常數;L和W為輻射貼片的長和寬;ΔL為天線的伸長量;WG和LG為接地板的長和寬，當接地板的尺寸滿足式(4)時，可視接地板為無限大。

應用公式(1)～(4)，可得到中心頻率f0=2.45 GHz時天線尺寸的初始值，然后通過調節短路面的長度減小輻射貼片的尺寸，最后開U型槽獲得所需要的5 GHz頻段。綜合以上各公式，經過優化，天線尺寸如表1所示。

表1 天線設計參數 mm

2 仿真與分析

用基于有限元法的高頻仿真軟件HFSS 10.0對設計的天線進行仿真，用出圖軟件導出仿真結果。

天線的電壓駐波比隨頻率的變化如圖2所示，從中可以看出天線產生了3個頻點，分別是2.45 GHz，5.2 GHz和5.80 GHz。當回波損耗S11＜－10 dB時，天線在低頻端覆蓋(2.35～2.55 GHz)，帶寬達到了200 MHz，比WLAN要求的83.5 MHz寬116.5 MHz;天線在高頻端的帶寬是(5.0～6.05 GHz)，比WLAN要求的帶寬(5.15～5.35 GHz)，(5.725～5.825 GHz)展寬了750 MHz。天線在諧振點的回波損耗越小，說明天線阻抗匹配越好。本文在3個諧振點回波損耗分別達到－16.5 dB，－27.5 dB和－37.5 dB，天線阻抗匹配較好。

圖2 天線的回波損耗隨頻率的變化

前面分析指出貼片表面開U型槽改變了貼片表面的電流分布從而使天線產生雙頻輻射，對2.45 GHz和5.2 GHz，相位為180°輻射貼片和短路面的表面電流分布進行仿真，結果如圖3所示，圖中箭頭代表電流的流動方向，線條的密集程度及顏色深度表示電流分布的密度。可以看出，電流主要分布在輻射貼片上，而在短路面上分布較少。2.45 GHz時電流在同軸探針附近分布比較密集;5.2 GHz時電流主要分布在U型槽雙臂周圍。

通過改變 L1，W1，L2，W2，L4這5 個參數對天線進行了大量的仿真分析，結果如圖4所示。圖4a是天線的回波損耗隨L2的變化，可以看出L2對低頻端影響較小，對高頻端天線的諧振頻率和帶寬影響比較明顯。當L2較小時高頻端回波損耗較大，阻抗帶寬較窄，隨著L2的增大，在高頻端回波損耗變小而且帶寬展寬，當L2為17 mm時，回波損耗最小。隨著L2繼續增大，當L2為19 mm時，帶寬更寬但是回波損耗變大。圖4b是天線回波損耗隨W1的變化，可以看出W1對回波損耗和帶寬的影響也很明顯，隨著W1增大，天線的回波損耗增大，帶寬變窄。分析L1，W2，L4也可以得到類似的結論。

圖3 短路面和接地板表面電流分布

圖4 天線的回波損耗變化情況

考慮到其他因素如饋電位置、縫隙寬度、混合空氣介質層對天線性能的影響，經過仿真分析，得出如下結論:

1)饋電的位置。隨著L0的增大，高頻端整體向左偏移，且帶寬變窄。

2)空氣腔高度。隨著H0增大，高頻端整體向右偏移。

3)當L1越大，高頻端帶寬越寬，但是高頻端回波損耗不能全部位于－10 dB以下。

4)隨著L4越大，低頻端回波損耗變小，高頻端回波損耗先變小然后又增大。

天線在頻率為2.45 GHz和5.2 GHz兩處的E面、H面的輻射方向圖如圖5所示。可以看出天線在上半平面輻射方向圖較好，后向輻射很小。在2.45 GHz處天線的主瓣方向為－15°，E面和H面3 dB波束寬度分別達到了156°和190°;在5.2 GHz處的主瓣方向為 0°，E 面和 H 面3 dB波束寬度分別達到了110°和95°，天線的輻射方向圖一致性良好。圖6是天線的增益隨頻率的變化，可以看出在主要的工作頻段天線增益變化很小;在(2.35～2.55 GHz)頻段，天線增益都在3.5～3.8 dB之間，變化只有0.3 dB;在(5.0～6.05 GHz)頻段內增益都在7.3～8.8 dB之間，變化只有1.5 dB。

3 結論

本文通過采用貼片開槽、加載短路面、空氣腔和同軸探針饋電方法設計了一種應用于WLAN的小型雙頻微帶天線。仿真結果表明，當S11＜－10 dB時，設計天線在低頻端和高頻端的帶寬分別達到200 MHz和1050 MHz，覆蓋了WLAN標準對應的所有頻段;在2.45 GHz和5.2 GHz頻點處，增益分別達到3.8 dB和8.8 dB，方向性較好。在工作頻段內增益變化很小，分別只有0.3 dB和1.5 dB，相對于以前的其他研究有很大的改善。該設計天線能夠滿足目前WLAN對多頻、寬帶、小型化、高增益的要求，對實際應用有較好的參考價值。

［1］馬小玲，康鳳興，王貞松.微帶天線及其在通信與廣播電視中的應用［J］.電視技術，2000，24(5):60－61.

［2］郭戈，邵建興.一種容性饋電寬帶微帶天線的設計與分析［J］.電訊技術，2010，50(6):80－83.

［3］LINSP R J，YE M.A novel dual－band microstrip antenna for WLAN application［C］//Proc.2009 International Conference on Wireless mobile and computing.ShangHai:IEEE Press ，2009:269－271.

［4］鐘期洪，李元新，龍云亮.新型WLAN雙頻微帶貼片天線的設計與研究［J］.中山大學學報，2004，43(1):35－37.

［5］伍韜，閆麗萍，劉長軍，等.一種用于WLAN的寬頻帶微帶天線［J］.信息與電子工程，2007，5(2):34－37.

［6］陳凱亞，黃宗盛.寬帶小型化U型貼片天線的設計［J］.電訊技術，2010，50(6):71－74.

［7］張鈞，劉克誠，張賢嶧.微帶天線理論與工程［M］.北京:國防工業出版社，1988.