一種新型小型化差分微帶貼片天線

王世軍，李 霖

(浙江理工大學信息學院，浙江杭州310000)

0 引言

無線局域網(WLNA)是采用802.11b(2.4～2.48 GHz)和802.11a(5.15～5.35 GHz)協議實現的無線網絡，相對于傳統的有線網絡，具有使用方便、體積小的優勢。天線在WLAN系統中扮演著發射和接收無線電信號的重要角色，其性能對無線互聯的效果有著重要影響［1－3］。獲得體積小、剖面低、成本低且易于集成的天線，是無線局域網的重要環節之一。

微帶天線具有體積小、剖面低、成本低和結構簡單等優點，近年來得到業界的廣泛關注［4－8］。隨著技術的進步，微帶天線已在包括無線局域網等多個領域得到應用，如在貼片上加載U形縫隙的雙頻微帶天線［9］，采用高介電常數基板的小型化微帶天線［10］，在貼片上加載矩形縫隙的圓極化微帶天線［11］。盡管這些天線都有優異的性能，然而卻都是基于單端饋電實現，需要引入巴倫元件才能與越來越成為主流的后端差分型芯片互連，這樣既會增加損耗和占用面積，也會增加設計的復雜度。基于這些因素，本文提出采用一種適用于無線局域網的差分型微帶天線。相比單端天線，差分微帶天線既擁有更高的輻射效率，又能獲得諧波抑制和帶寬拓展等新性能，更能實現與差分芯片的無縫對接，實現低損耗和小型化。另外，考慮到小型化的需要［12］，進一步對微帶天線進行了開槽處理，通過延長電流距離、增加等效電感，成功地實現了天線的小型化。通過對一系列的參數進行分析和優化，最終設計出一個工作在無線局域網2．45 GHz頻段的小型化差分微帶天線模型，尺寸僅為傳統天線的67%左右，帶寬及輻射特性都能很好地滿足無線局域網系統對天線的性能要求。

1 天線設計

1.1 小型化差分微帶天線的設計

本文提出的小型化差分微帶天線基本結構如圖1所示。

圖1 小型化差分天線尺寸結構

微帶天線主要由接地板、介質基片和開了槽的輻射貼片組成。正方形貼片邊長為b，正方形接地板邊長為a，饋電點到貼片中心距離為d，對稱槽邊緣與貼片中心距離為k，槽長和槽寬分別為v和u，介質基片厚度為h，基片介電常數為2.65。天線的饋電方式為差分饋電，通過在貼片上開槽來實現小型化。基于上述理論，根據天線的中心頻率及介質板的介電常數，通過相關天線尺寸計算公式確定天線的大概尺寸，基于這類近似的尺寸參數和專業的三維電磁仿真軟件HFSS，同時在綜合平衡天線的增益、阻抗帶寬和小型化等設計指標的情況下，得到滿足要求的各項指標，分別為:a=65 mm，b=29.4 mm，d=4 mm，h=1.7 mm，u=0.2 mm，v=22.2 mm，k=7 mm。基于這些數值參數，利用HFSS軟件對天線的性能做出如下分析。

1.2 天線性能分析

1.1.1 k對天線性能的影響

改變槽邊緣與貼片中心距離k，其他參數保持不變，k由5 mm增加到11 mm，得到的回波損耗圖如圖2所示。由圖2可見，當k由5 mm增加到11 mm時，天線諧振頻率有升高的趨勢，說明可以通過調節k來達到調節天線尺寸的目的。

圖2 k對天線性能的影響

1.1.2 v對天線性能的影響

改變貼片槽長v，其他參數保持不變，v由18 mm增加到24 mm，得到的回波損耗圖如圖3所示。由圖3可見，當v由18 mm增加到24 mm時，天線諧振頻率有降低的趨勢，說明可以通過調節槽長v來達到調節天線尺寸的目的。

圖3 v對天線性能的影響

從上述分析結果可以看出，對稱槽對諧振頻率影響比較大，這是因為對稱槽的存在，阻礙了貼片表面的部分電流的流動，改變了電流的流向，有效地延長了貼片表面電流的路徑，從而降低了天線的諧振頻率，對某一固定頻率來說，能起到縮小天線尺寸的作用。

2 仿真結果

回波損耗是指在天線的接頭處的反射功率與輸入功率的比值，反映了天線的匹配特性。同時，較高的增益和良好的阻抗帶寬也是天線設計的重要指標。本文設計的天線的仿真結果如圖4和圖5所示。

圖4 小型化差分天線S11曲線

圖5 小型化差分天線輻射方向圖

圖5顯示天線具有較穩定的輻射，天線諧振頻率為2.45 GHz，回波損耗約為－16.6 dB，阻抗帶寬為18 MHz，增益約為7.15 dB。此外本設計的小型化差分天線口徑面積為864.36 mm2，尺寸約為傳統差分天線的67%。天線的主要指標基本滿足天線的設計要求。

3 結束語

提出了一種應用于WLAN系統的小型化差分微帶天線，該天線應用于無線局域網802.11b(2.4～2.48 GHz)系統中，采用差分饋電，相較單端天線擁有更好的性能。同時通過在差分天線貼片開槽來實現小型化，開槽后的天線尺寸約為傳統差分微帶天線的67%，有效地降低了差分微帶天線的尺寸。仿真結果表明，天線的回波損耗約為－16.6 dB，增益約為7.15 dB，帶寬約為 18 MHz，關鍵指標基本滿足設計要求，設計的小型化差分微帶天線具有很好的應用前景。

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