無線局域網AP設備性能測試環境構建方法研究

鐘大平

面對AP產品種類繁多、質量參差不齊的局面，選擇性能優異、質量可靠的產品顯得尤為重要。為準確測試AP的各項吞吐量性能指標，分析了AP設備吞吐量降低、波動較大的原因，提出采用屏蔽室金屬表面附加木質柵格介質的方法來降低Q值。通過理論分析與仿真相結合的方法，獲得了木質柵格的最佳尺寸。實驗表明，該方法完全滿足AP設備性能測試要求，且具有建設周期短、成本低的優點。

WLAN AP 性能測試環境 吞吐量 屏蔽室 木質柵格

中圖分類號：TN925.93 文獻標識：A 文章編號：1006-1010（2014）-06-0081-06

1 引言

隨著移動互聯網業務的高速增長，蜂窩網面臨著巨大的流量壓力，移動運營商在移動數據業務上的投入與產出嚴重不成比例，迫切需要更有效的技術手段緩解所面臨的巨大壓力。考慮到WLAN網絡本身具有可移動、高帶寬、低成本、簡單易用和擴展性強的優點，運營商不約而同地將WLAN建設作為網絡建設的重點。

WLAN網絡建設規模的快速擴張，使得提升WLAN網絡質量的需求日益凸顯。除了不斷進行網絡優化外，面對AP（無線接入點）產品種類繁多、質量參差不齊的局面，選擇性能優異、質量可靠的產品也是快速提升業務質量的最有效手段之一。若要準確測試出AP的各項吞吐量性能指標，必須具有穩定且適用于AP產品特性的測試環境。本文針對在實驗室中如何構建AP的性能測試環境進行深入研究，提出了一種實用性強、性能優越且成本很低的環境構建方法。

2 AP性能測試環境現狀

現有的AP性能測試環境主要有以下幾類：

（1）采用空曠場地測試：此方法容易實施，但隨著WLAN的普及，運營商、企業、家庭架設的網絡越來越多，加上WLAN本身采用2.4GHz的開放頻段，干擾信號（如微波爐、藍牙等）無處不在，很難保證周邊沒有信號干擾。因此，在干擾源不穩定的情況下，無法準確測量設備的性能指標。

（2）采用微波暗室測試：可以有效屏蔽外部信號源的干擾，但無法體現設備的真實性能。這是因為802.11n的MIMO（多輸入多輸出）/SDM（空分復用）應用于衰落環境，可以有效地進行多流傳輸。若采用微波暗室，由于反射較少，與MIMO設備適用的衰落分布場有較大差異，不能真正體現設備的真實性能。

（3）采用光滑表面屏蔽室測試：可以有效屏蔽外部信號源的干擾，但由于屏蔽室內部表面采用光滑的金屬材料，極易發生電磁波鏡面反射，導致在接收天線處有較大頻率選擇性衰落，同樣不能很好地測量出設備的真實性能。

（4）采用帶有吸波材料的屏蔽室測試：可以有效屏蔽外部信號源的干擾，而且能有效控制鏡面發射，但建設周期長、價格昂貴。

基于上述情況，本文提出在屏蔽室內壁附加木質柵格的方法，即對第3類測試方法進行改進，其目的是降低屏蔽室金屬內壁對電磁波的反射，構造一種既能改善頻率選擇性衰落，又能適用于MIMO機制的無線電磁環境，從而可以準確地測量AP的各項吞吐量性能指標。

3 AP性能與測試環境的關

聯分析

在第3類測試方法中，光滑表面屏蔽室會引起較大的頻域選擇性衰落，從而導致AP設備的吞吐量明顯降低且波動大，與空曠環境下的性能差別很大。其原因是屏蔽室由光滑的金屬板構成，發射的電磁波按照鏡面反射，在接收天線處產生較大的頻率選擇性衰落，表現在頻域上就是OFDM（正交頻分復用）信道在整個頻帶的載波上SNR（信噪比）出現很大的頻率選擇性變動，從而引入較大的ISI（符號間干擾），致使吞吐量與空曠無干擾環境相差較大。這一結論可以從實測結果對比和理論分析兩個方面進行驗證。

3.1 反射情況的實測驗證

屏蔽室金屬內壁的反射情況可以通過以下方法進行驗證：多信號合成可以從EVM（向量誤差幅度）值來觀察，較大的EVM表示較多的信號合成，即反射較為嚴重。

圖1為AP與接收距離15cm的測試信號，為802.11g 54Mbps模式。接收天線垂直放置，在周圍（1m內）沒有平整金屬面，可以看到EVM值為-21dB。

圖2配置與上述相同，只是在近處（30cm內）放置一塊20cm×20cm的金屬擋板，此時反射更加嚴重，EVM下降至-17dB左右。其原因為到達接收天線的強度相當的信號增加，引起信號合成誤差。

金屬擋板引起的吞吐率變化也可以很好地驗證前面的分析結論。在接收天線附近（30cm內）沒有放置金屬擋板的情況下，整個頻道各個子載波的SNR基本一致；而一旦放置金屬擋板，不同子載波的SNR是不同的。

針對上述兩種情況做AP吞吐量的對比測試發現，在沒有放置金屬擋板時，上行吞吐量在84Mbps、下行吞吐量在66Mbps左右；而一旦放置金屬擋板，則吞吐量明顯下降，具體如圖3所示。

3.2 吞吐量降低原因和理論分析

根據微波理論，內壁金屬的屏蔽室包含有非常多的諧振模，尺寸越大，腔體的Q值（表征屏蔽室對電磁波的吸收率）越高，此時反射越大。為了簡化分析，通過對邊長為0.2m的正方形腔體進行仿真，得到其15個諧振模的分布，結果如圖4所示。

對于諧振模13和14進行電場分布分析，并將其轉化為功率。其中，模式13的頻率為2.371 81GHz、Q為6 726，則其3dB帶寬為2.371 81/6 726≈35.263kHz，功率譜分布如圖5所示。

模式14的頻率為2.372 03GHz、Q為6 722，則其3dB帶寬為2.372 03/

6 722≈35.288kHz，功率譜分布如圖6所示。

上述仿真功率譜分布意味著如果在屏蔽室內加入一個激勵（AP發射信號），則其信號強度在空間的分布如圖5和圖6所示。對于上述空間中的A點，在模式13下（主諧振頻率2.371 81GHz），可以接收到很強的信號；而在模式14下（主諧振頻率2.372 03GHz），信號強度則很弱。endprint

由以上分析可以看出，屏蔽室被激勵起非常多的諧振模，此時屏蔽室的Q值很高，導致接收時在OFDM子載波的帶寬內發生強烈頻率選擇性衰落。如果調制帶寬內存在頻率選擇性衰落，則會引起符號間干擾，降低AP設備的吞吐量性能，并且容易出現吞吐量波動的現象。

4 測試環境的改進方案

從上述分析可以看出，若要解決屏蔽室反射問題，一個的方法就是降低屏蔽室的Q值，從而減小頻率選擇性衰落。降低Q值的通常方法是加載，即增加可吸收電磁波的介質。

基于以上考慮，改進方案采用在屏蔽室內壁附加木質柵格（介電常數3.7，損耗角正切0.05）的方式來改善Q值。

4.1 Q值的計算

根據電磁理論，在屏蔽室中Qtotal可由以下公式獲得：

其中，τrms為時延擴展均方根，表征信道多徑時延的大小，通常將屏蔽室的τrms調整為接近真實環境的時延擴展即可；f為電磁信號的頻率；Qtotal表征諧振強度。

IEEE組織對各種信道的時延進行了建模評估，具體參數如表1所示：

表1 各信道建模評估參數表

Model condition K/dB

（LOS/NLOS） RMS delay spread/ns

（NLOS） #of clusters

A

（optional） LOS/NLOS 0/- 0 1 tap

B LOS/NLOS 0/- 15 2

C LOS/NLOS 0/- 30 2

D LOS/NLOS 3/- 50 3

E LOS/NLOS 6/- 100 4

F LOS/NLOS 6/- 150 6

其中，Model C、D代表常規的辦公室環境；Model E代表一般開發空間下的環境。因此，如果要在屏蔽室中模擬辦公室環境，則選擇τrms=50ns。根據式（1）計算可得，需要Qtotal=（2*π*2.4e9）* 50e-9=753.982 2。

4.2 木質柵格尺寸計算方法

設木材條的深度為h，寬度為t，木材框格的內尺寸為f×g，木材檔條在屏蔽室四壁上存在，按照圖7建立參考坐標系。

根據電磁場理論和微擾法計算可知，以TE10l模為例，Q值的計算公式如下：

+

（2）

其中，各參數含義如下：

Qorgin：未加載前的Q；

Qadd：加載后的Q，對于屏蔽室，Qorgin為存在金屬損耗時的Q，Qadd為加載木質柵格后存在介質損耗的Q；

μ：真空磁導率；

ε：真空介電常數；

εr：木材相對介電常數；

tanδ：木材損耗角正切；

K：真空波數，；

η：真空波阻抗，377歐；

RS：屏蔽室金屬壁表面電阻；

l：TE10l的標號l；

a、b、d：分別為屏蔽室的長、寬、高；

h、t、f、g：分別為木質柵格的深度、截面邊長、內框長度、內框寬度。

因此，通過解方程可獲得如下關系：

+

（3）

其中，f、τrms可根據實際場景并結合表1中IEEE的有關規定取值。

4.3 木質柵格尺寸的優化

因為定值，且所述Qtotal=2πf1×τrms為常數，則可確定出函數關系表達式：X（f，g，h，t）=K。其中，K為常數，即X（f，g，h，t）表示以f、g、h、t為變量的函數。

為了提高屏蔽室反射電磁波發射波的均勻性，可以將木材檔條的間距設為波長附近，對于2.4GHz頻率，λ=v/f=3*10e8/2.4*10e9=0.125m；對于5.8GHz頻率，λ=v/f=3*10e8/5.8*10e9=0.052m。因此對于WLAN AP設備，一般同時支持2.4GHz和5.8GHz頻率，f和g的取值范圍為5.2～12.5cm效果較好。

將上述f和g的取值代入表達式，可獲得函數表達式：Y（h，t）=J，其中J為常數。對于h和t，從成本的角度，當其面積最小時最省材料，根據表達式X（h，t）=J，當（h*t）最小時，求得h=hmin、t=tmin，因此可確定h的取值范圍為h≥hmin、t的取值范圍為t≥tmin。

最后，結合屏蔽室的尺寸，在上述范圍內適當選擇f、g、h、t值，并通過軟件仿真，當電磁信號強度分布較為均勻且局部不出現過高Q值時，即可獲得滿足要求的木質柵格尺寸。

4.4 木質柵格的選材方法

通過對幾種常見木材介電性質的分析發現，采用馬尾松的指標可以有效降低屏蔽室的Q值，并且在屏蔽室內造成豐富的場空間差異。如果采用損耗角正切更大的材料，則Q值更低。但實際上加入松木后的Q值，已經可以滿足相關帶寬的要求。另外，木材的介電常數受含水率、密度、紋理方向和頻率等多種因素的影響。

4.5 新方案的實測驗證

通過上述方法改造后，測試數據獲得了明顯改善，從而有效證明了該方法的有效性和實用性。以AP在2.4GHz/20MHz的下行吞吐量為例，改造前為61.145Mbps，改造后為94.333Mbps，提升了54.3%。

5 結束語

本文就如何構造滿足AP設備性能測試要求的實驗環境進行了詳細分析，對屏蔽室光滑金屬表面產生鏡面反射，引起AP設備吞吐量降低且波動較大的原因進行了測試對比驗證和詳細的理論分析，得出減小Q值可以改善頻率選擇性衰落的結論。而降低Q值的方法就是加載，即增加可吸收電磁波的介質。因此，本文提出采用屏蔽室金屬表面附加木質柵格的方法，并通過理論推導與計算機仿真相結合，優化得到木質柵格的最佳尺寸。實驗表明，該方法完全滿足AP設備性能測試要求。相比同類方法如屏蔽室加吸波材料，本方案建設周期從3～6個月縮短為7天，建設成本僅為前者的1/20～1/15，具有很高的工業應用價值。

參考文獻：

[1] 趙昱. 無線局域網應用介紹[J]. 當代通信， 2000（10）.

[2] 王娜，周北琦，劉先會，等. 無線局域網設備天線性能測試[J]. 現代電信科技， 2012（5）： 32-34.

[3] 郝立平. 無線局域網性能的實驗研究[D]. 天津： 天津大學， 2004.

[4] 張震，辛曉泳. 無線局域網非法AP定位方案研究[A]. 廣東通信2010青年論壇優秀論文集[C]. 2010.

[5] 郭德金. 應用于無線局域網的雙頻天線設計[D]. 西安： 西安電子科技大學， 2011.★endprint

由以上分析可以看出，屏蔽室被激勵起非常多的諧振模，此時屏蔽室的Q值很高，導致接收時在OFDM子載波的帶寬內發生強烈頻率選擇性衰落。如果調制帶寬內存在頻率選擇性衰落，則會引起符號間干擾，降低AP設備的吞吐量性能，并且容易出現吞吐量波動的現象。

4 測試環境的改進方案

從上述分析可以看出，若要解決屏蔽室反射問題，一個的方法就是降低屏蔽室的Q值，從而減小頻率選擇性衰落。降低Q值的通常方法是加載，即增加可吸收電磁波的介質。

基于以上考慮，改進方案采用在屏蔽室內壁附加木質柵格（介電常數3.7，損耗角正切0.05）的方式來改善Q值。

4.1 Q值的計算

根據電磁理論，在屏蔽室中Qtotal可由以下公式獲得：

其中，τrms為時延擴展均方根，表征信道多徑時延的大小，通常將屏蔽室的τrms調整為接近真實環境的時延擴展即可；f為電磁信號的頻率；Qtotal表征諧振強度。

IEEE組織對各種信道的時延進行了建模評估，具體參數如表1所示：

表1 各信道建模評估參數表

Model condition K/dB

（LOS/NLOS） RMS delay spread/ns

（NLOS） #of clusters

A

（optional） LOS/NLOS 0/- 0 1 tap

B LOS/NLOS 0/- 15 2

C LOS/NLOS 0/- 30 2

D LOS/NLOS 3/- 50 3

E LOS/NLOS 6/- 100 4

F LOS/NLOS 6/- 150 6

其中，Model C、D代表常規的辦公室環境；Model E代表一般開發空間下的環境。因此，如果要在屏蔽室中模擬辦公室環境，則選擇τrms=50ns。根據式（1）計算可得，需要Qtotal=（2*π*2.4e9）* 50e-9=753.982 2。

4.2 木質柵格尺寸計算方法

設木材條的深度為h，寬度為t，木材框格的內尺寸為f×g，木材檔條在屏蔽室四壁上存在，按照圖7建立參考坐標系。

根據電磁場理論和微擾法計算可知，以TE10l模為例，Q值的計算公式如下：

+

（2）

其中，各參數含義如下：

Qorgin：未加載前的Q；

Qadd：加載后的Q，對于屏蔽室，Qorgin為存在金屬損耗時的Q，Qadd為加載木質柵格后存在介質損耗的Q；

μ：真空磁導率；

ε：真空介電常數；

εr：木材相對介電常數；

tanδ：木材損耗角正切；

K：真空波數，；

η：真空波阻抗，377歐；

RS：屏蔽室金屬壁表面電阻；

l：TE10l的標號l；

a、b、d：分別為屏蔽室的長、寬、高；

h、t、f、g：分別為木質柵格的深度、截面邊長、內框長度、內框寬度。

因此，通過解方程可獲得如下關系：

+

（3）

其中，f、τrms可根據實際場景并結合表1中IEEE的有關規定取值。

4.3 木質柵格尺寸的優化

因為定值，且所述Qtotal=2πf1×τrms為常數，則可確定出函數關系表達式：X（f，g，h，t）=K。其中，K為常數，即X（f，g，h，t）表示以f、g、h、t為變量的函數。

為了提高屏蔽室反射電磁波發射波的均勻性，可以將木材檔條的間距設為波長附近，對于2.4GHz頻率，λ=v/f=3*10e8/2.4*10e9=0.125m；對于5.8GHz頻率，λ=v/f=3*10e8/5.8*10e9=0.052m。因此對于WLAN AP設備，一般同時支持2.4GHz和5.8GHz頻率，f和g的取值范圍為5.2～12.5cm效果較好。

將上述f和g的取值代入表達式，可獲得函數表達式：Y（h，t）=J，其中J為常數。對于h和t，從成本的角度，當其面積最小時最省材料，根據表達式X（h，t）=J，當（h*t）最小時，求得h=hmin、t=tmin，因此可確定h的取值范圍為h≥hmin、t的取值范圍為t≥tmin。

最后，結合屏蔽室的尺寸，在上述范圍內適當選擇f、g、h、t值，并通過軟件仿真，當電磁信號強度分布較為均勻且局部不出現過高Q值時，即可獲得滿足要求的木質柵格尺寸。

4.4 木質柵格的選材方法

通過對幾種常見木材介電性質的分析發現，采用馬尾松的指標可以有效降低屏蔽室的Q值，并且在屏蔽室內造成豐富的場空間差異。如果采用損耗角正切更大的材料，則Q值更低。但實際上加入松木后的Q值，已經可以滿足相關帶寬的要求。另外，木材的介電常數受含水率、密度、紋理方向和頻率等多種因素的影響。

4.5 新方案的實測驗證

通過上述方法改造后，測試數據獲得了明顯改善，從而有效證明了該方法的有效性和實用性。以AP在2.4GHz/20MHz的下行吞吐量為例，改造前為61.145Mbps，改造后為94.333Mbps，提升了54.3%。

5 結束語

本文就如何構造滿足AP設備性能測試要求的實驗環境進行了詳細分析，對屏蔽室光滑金屬表面產生鏡面反射，引起AP設備吞吐量降低且波動較大的原因進行了測試對比驗證和詳細的理論分析，得出減小Q值可以改善頻率選擇性衰落的結論。而降低Q值的方法就是加載，即增加可吸收電磁波的介質。因此，本文提出采用屏蔽室金屬表面附加木質柵格的方法，并通過理論推導與計算機仿真相結合，優化得到木質柵格的最佳尺寸。實驗表明，該方法完全滿足AP設備性能測試要求。相比同類方法如屏蔽室加吸波材料，本方案建設周期從3～6個月縮短為7天，建設成本僅為前者的1/20～1/15，具有很高的工業應用價值。

參考文獻：

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[3] 郝立平. 無線局域網性能的實驗研究[D]. 天津： 天津大學， 2004.

[4] 張震，辛曉泳. 無線局域網非法AP定位方案研究[A]. 廣東通信2010青年論壇優秀論文集[C]. 2010.

[5] 郭德金. 應用于無線局域網的雙頻天線設計[D]. 西安： 西安電子科技大學， 2011.★endprint

由以上分析可以看出，屏蔽室被激勵起非常多的諧振模，此時屏蔽室的Q值很高，導致接收時在OFDM子載波的帶寬內發生強烈頻率選擇性衰落。如果調制帶寬內存在頻率選擇性衰落，則會引起符號間干擾，降低AP設備的吞吐量性能，并且容易出現吞吐量波動的現象。

4 測試環境的改進方案

從上述分析可以看出，若要解決屏蔽室反射問題，一個的方法就是降低屏蔽室的Q值，從而減小頻率選擇性衰落。降低Q值的通常方法是加載，即增加可吸收電磁波的介質。

基于以上考慮，改進方案采用在屏蔽室內壁附加木質柵格（介電常數3.7，損耗角正切0.05）的方式來改善Q值。

4.1 Q值的計算

根據電磁理論，在屏蔽室中Qtotal可由以下公式獲得：

其中，τrms為時延擴展均方根，表征信道多徑時延的大小，通常將屏蔽室的τrms調整為接近真實環境的時延擴展即可；f為電磁信號的頻率；Qtotal表征諧振強度。

IEEE組織對各種信道的時延進行了建模評估，具體參數如表1所示：

表1 各信道建模評估參數表

Model condition K/dB

（LOS/NLOS） RMS delay spread/ns

（NLOS） #of clusters

A

（optional） LOS/NLOS 0/- 0 1 tap

B LOS/NLOS 0/- 15 2

C LOS/NLOS 0/- 30 2

D LOS/NLOS 3/- 50 3

E LOS/NLOS 6/- 100 4

F LOS/NLOS 6/- 150 6

其中，Model C、D代表常規的辦公室環境；Model E代表一般開發空間下的環境。因此，如果要在屏蔽室中模擬辦公室環境，則選擇τrms=50ns。根據式（1）計算可得，需要Qtotal=（2*π*2.4e9）* 50e-9=753.982 2。

4.2 木質柵格尺寸計算方法

設木材條的深度為h，寬度為t，木材框格的內尺寸為f×g，木材檔條在屏蔽室四壁上存在，按照圖7建立參考坐標系。

根據電磁場理論和微擾法計算可知，以TE10l模為例，Q值的計算公式如下：

+

（2）

其中，各參數含義如下：

Qorgin：未加載前的Q；

Qadd：加載后的Q，對于屏蔽室，Qorgin為存在金屬損耗時的Q，Qadd為加載木質柵格后存在介質損耗的Q；

μ：真空磁導率；

ε：真空介電常數；

εr：木材相對介電常數；

tanδ：木材損耗角正切；

K：真空波數，；

η：真空波阻抗，377歐；

RS：屏蔽室金屬壁表面電阻；

l：TE10l的標號l；

a、b、d：分別為屏蔽室的長、寬、高；

h、t、f、g：分別為木質柵格的深度、截面邊長、內框長度、內框寬度。

因此，通過解方程可獲得如下關系：

+

（3）

其中，f、τrms可根據實際場景并結合表1中IEEE的有關規定取值。

4.3 木質柵格尺寸的優化

因為定值，且所述Qtotal=2πf1×τrms為常數，則可確定出函數關系表達式：X（f，g，h，t）=K。其中，K為常數，即X（f，g，h，t）表示以f、g、h、t為變量的函數。

為了提高屏蔽室反射電磁波發射波的均勻性，可以將木材檔條的間距設為波長附近，對于2.4GHz頻率，λ=v/f=3*10e8/2.4*10e9=0.125m；對于5.8GHz頻率，λ=v/f=3*10e8/5.8*10e9=0.052m。因此對于WLAN AP設備，一般同時支持2.4GHz和5.8GHz頻率，f和g的取值范圍為5.2～12.5cm效果較好。

將上述f和g的取值代入表達式，可獲得函數表達式：Y（h，t）=J，其中J為常數。對于h和t，從成本的角度，當其面積最小時最省材料，根據表達式X（h，t）=J，當（h*t）最小時，求得h=hmin、t=tmin，因此可確定h的取值范圍為h≥hmin、t的取值范圍為t≥tmin。

最后，結合屏蔽室的尺寸，在上述范圍內適當選擇f、g、h、t值，并通過軟件仿真，當電磁信號強度分布較為均勻且局部不出現過高Q值時，即可獲得滿足要求的木質柵格尺寸。

4.4 木質柵格的選材方法

通過對幾種常見木材介電性質的分析發現，采用馬尾松的指標可以有效降低屏蔽室的Q值，并且在屏蔽室內造成豐富的場空間差異。如果采用損耗角正切更大的材料，則Q值更低。但實際上加入松木后的Q值，已經可以滿足相關帶寬的要求。另外，木材的介電常數受含水率、密度、紋理方向和頻率等多種因素的影響。

4.5 新方案的實測驗證

通過上述方法改造后，測試數據獲得了明顯改善，從而有效證明了該方法的有效性和實用性。以AP在2.4GHz/20MHz的下行吞吐量為例，改造前為61.145Mbps，改造后為94.333Mbps，提升了54.3%。

5 結束語

本文就如何構造滿足AP設備性能測試要求的實驗環境進行了詳細分析，對屏蔽室光滑金屬表面產生鏡面反射，引起AP設備吞吐量降低且波動較大的原因進行了測試對比驗證和詳細的理論分析，得出減小Q值可以改善頻率選擇性衰落的結論。而降低Q值的方法就是加載，即增加可吸收電磁波的介質。因此，本文提出采用屏蔽室金屬表面附加木質柵格的方法，并通過理論推導與計算機仿真相結合，優化得到木質柵格的最佳尺寸。實驗表明，該方法完全滿足AP設備性能測試要求。相比同類方法如屏蔽室加吸波材料，本方案建設周期從3～6個月縮短為7天，建設成本僅為前者的1/20～1/15，具有很高的工業應用價值。

參考文獻：

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[3] 郝立平. 無線局域網性能的實驗研究[D]. 天津： 天津大學， 2004.

[4] 張震，辛曉泳. 無線局域網非法AP定位方案研究[A]. 廣東通信2010青年論壇優秀論文集[C]. 2010.

[5] 郭德金. 應用于無線局域網的雙頻天線設計[D]. 西安： 西安電子科技大學， 2011.★endprint