應用于無線局域網的雙頻天線設計

鄧東民，鄭宏興，王　輅

（天津職業技術師范大學天線與微波技術研究所，天津300222）

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應用于無線局域網的雙頻天線設計

鄧東民，鄭宏興，王輅

（天津職業技術師范大學天線與微波技術研究所，天津300222）

摘要：設計一種應用于無線局域網的單極子天線，天線上表面以矩形環和"T"形結構作為輻射單元，下表面則以矩形結構作為接地面。通過軟件仿真和實驗分析得出，這種天線工作頻率范圍分別為2.04～2.98 GHz和4.85～6 GHz，在工作頻率范圍內表現出良好的輻射特性。根據IEEE802.11規定的無線局域網頻段范圍，這種天線滿足實際應用要求。

關鍵詞：單極子天線；矩形環；T形輻射單元；無線局域網

在無線通信技術的發展歷程中，無線局域網（WLAN）系統因具有靈活便捷的優勢，得到了廣泛的關注和重視[1]，人們對WLAN收發系統的要求也越來越高。天線在WLAN的收發系統中起到至關重要的作用。單極子天線具有體積小、輪廓低、易于加工和易于實現多頻工作等特點，在無線通信系統中得到了廣泛應用[2]。由于WLAN系統工作在多頻段，因此需要這種天線實現多頻工作，其中較常用的多頻方法有多片法、多枝節法和單片法[3]。多片法將諧振頻率不同的多個貼片疊放在一起，從而產生多個頻率。多枝節法是將不同諧振頻率的輻射單元組合在一起進行工作。單片法是在單個輻射貼片內激起不同諧振頻率的模式，從而進行工作。文獻[4-6]提出一系列應用于WLAN通信系統的天線結構，如L形、F形、G形，但普遍存在頻段帶寬較窄的問題；文獻[7]提到一種應用于WLAN的單極子天線，使用共面波導的饋電方式，并采用C形輻射貼片結構，雖然大幅度提高帶寬，但高頻段方向性較差；文獻[8]提到一種應用于WLAN的單極子天線，雖然其結構簡單，但高頻段S11不穩定，難以滿足實際應用的要求。

本文設計了一種單極子天線，分析該天線的電流分布可知，其可以分別工作在2個不同的頻率。通過調整天線2個輻射單元的尺寸，使其在IEEE802.11b/g 和IEEE802.11a標準所規定的WLAN頻率范圍內具有良好的輻射特性。實驗結果表明，這種天線在2個工作頻點均有良好的全向特性，符合實際應用的要求。

1　天線原理與結構

1.1天線原理

具有微帶線結構的1/4波長單極子天線結構如圖1所示。對于1/4波長單極子天線，可以使用圖1（a）所示的微帶線結構來實現。為適應天線小型化和便攜化的要求，可以將天線進一步折成“L”形、“T”形或環形以縮小天線尺寸，如圖1（b）和1（c）所示。

圖1　單極子天線的結構演化

為使天線在所需要的頻率工作，需要調整輻射貼片枝節單元的有效寬度w和長度L，采用如下公式[9]計算：

式中：εr為介質的相對介電常數；c為光速。

考慮到邊緣縮短效應，有效的輻射貼片長度為：

式中：εe為有效介電常數；ΔL為等效輻射縫隙長度。計算公式為：

1.2天線結構設計

天線的設計結構如圖2所示，天線印制在尺寸為35×55 mm2的介質基板上。介質基板的材料為FR4，其相對介電常數為4.4，厚度h為1.6 mm。天線采用微帶線饋電，正面采用矩形環狀結構并在內部增加“T”形枝節作為輻射貼片，圖中虛線陰影部分是天線背面接地面的結構。

圖2　天線結構示意圖

2　天線的參數仿真與實驗分析

為說明上述結構尺寸與天線的電性能關系，采用電磁仿真軟件分析其電流分布，如圖3所示。電流從饋電點流出，分別在矩形環與“T”形枝節內部隨時間呈周期性震蕩。圖3（a）是天線工作在2.4 GHz時的電流分布圖，可以看出電流主要在矩形環狀結構上分布，而“T”形枝節上幾乎沒有電流，因此外部矩形環結構對應的是天線低頻工作頻率；圖3（b）顯示的是天線工作在5.2 GHz時的電流分布圖，外部矩形環上的電流明顯減弱，內部“T”形枝節上有較大電流分布，故矩形環內部的“T”形枝節對應的是天線高頻工作頻率。根據電流分布特點，可以通過調節矩形環和“T”形枝節的有效輻射長度來調整天線的2個工作頻率。按照這一原理，對天線的尺寸進行設計。

圖3　天線在2.4 GHz和5.2 GHz的電流分布

利用軟件對天線進行仿真，分析尺寸參數變化時電參數的變化。如前所述，當改變矩形環狀結構的大小時，可以調整天線低頻部分的工作頻率。改變L3時S11的變化如圖4所示，當改變矩形環長L3時，低頻工作點發生了明顯的移動，可以根據需要調整天線低頻部分的工作頻率。

圖4　改變L3時S11的變化

類似的，當改變內部“T”形結構的大小時，可以調整天線高頻部分的工作頻率。在改變“T”形結構長L5時，高頻工作點發生了明顯的移動，如圖5所示。

圖5　改變L5時S11的變化

經過對天線2部分結構尺寸的選擇，天線各結構的尺寸參數如表1所示。根據表1中參數，天線的回波損耗如圖6所示，圖中的實線表示天線的回波損耗情況，可以看出天線在2.04～2.98 GHz和4.85～6 GHz的范圍內有良好的輻射特性，低頻工作帶寬達到940 MHz，高頻工作帶寬達到1 150 MHz。天線的電壓駐波比如圖7所示，圖中實線表示天線的電壓駐波比，與S11輻射頻率保持一致，能夠完全覆蓋IEEE802.11b/g 和IEEE802.11a的全部工作頻段。

表1　天線的結構參數mm

采用AV3629矢量網絡分析儀對這種天線的回波損耗和電壓駐波比進行測量，結果分別如圖6和圖7中的虛線所示，可以看出實測結果和仿真結果基本吻合。出現偏差的原因可能是介質基板不均勻、加工工藝不準確或是測量環境影響所致，但所產生的偏差在可接受的范圍內。

圖6　天線的回波損耗

圖7　天線的電壓駐波比

天線在2.4 GHz、5.2 GHz、5.8 GHz頻點上E面和H面的輻射方向圖如圖8所示。由圖8可以看出，該天線在xoy面上基本滿足全方向的輻射特性，在xoz面上近似滿足雙向性的輻射特性。當工作頻率逐漸增高時，由于電流發生衰減，天線的方向圖出現輕微的畸變，但仍然滿足設計要求。

圖8　天線的輻射方向圖

3　結束語

本文設計了一種應用于無線局域網的雙頻天線，從仿真和實驗結果可以看出，這種天線可以完全覆蓋IEEE802.11b/g和IEEE802.11a標準所規定的頻率范圍。本研究分別對天線的外部矩形環結構和內部“T”形結構的尺寸進行調整，方便調節天線的2個工作頻率。此外，這種天線在其2個工作頻段內均有良好的方向性，能夠有效地應用于WLAN無線局域網通信系統中。

參考文獻：

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Design of dual-band antenna applied in wireless local area network

DENG Dong-min，ZHENG Hong-xing，WANG Lu
（Institute of Antenna and Microwave Techniques，Tianjin University of Technology and Education，Tianjin 300222，China）

Abstract：A mono-pole antenna is designed in this paper.It can be applied in wireless local area network（WLAN）.The top surface of this antenna adopts rectangular ring and T- shape as radiation elements，and the bottom uses rectangular structure as ground plane.According to the simulation of software and analysis of experiment，the results show that the frequencies cover 2.45 GHz，5.2 GHz and 5.8 GHz.This antenna can be satisfying in the actual applications as IEEE802.11 standard on the WLAN.

Key words：mono-pole antenna；rectangular ring；T- shape radiation element；wireless local are network（WLAN）

作者簡介：鄧東民（1990—），男，碩士研究生；鄭宏興（1962—），男，教授，博士，碩士生導師，研究方向為天線、微波電路及計算電磁學.

基金項目：國家自然科學基金資助項目（61371043）.

收稿日期：2015-07-24

中圖分類號：TN822

文獻標識碼：A

文章編號：2095－0926（2016）01－0018－04