WIFI頻段波束可切換開關天線的設計與實現

李晨楠+劉玉虎+傅世強

摘 要：提出一種基于單片機控制的波束可切換WIFI頻段2.4 GHz開關天線。該天線基于微帶偶極子天線的結構變形，通過兩路天線同時工作使其在水平面上分別向六個方向呈60°輻射信號，實現均勻覆蓋，并增加引向單元來進一步提高天線的方向性與增益。利用單片機數控微波二極管的通斷，實現多波束輻射的靈活切換。仿真和實驗結果表明，該天線的輸入匹配良好，輻射特性明顯增強，可用于無線路由器終端以提升無線局域網的性能和速度。

關鍵詞：無線局域網 WIFI頻段 波束切換 微帶偶極子天線

中圖分類號：TN82 文獻標識碼：A 文章編號：1674-098X（2016）07（c）-0089-02

無線局域網（Wireless Local Area Network，簡稱WLAN）是計算機網絡與無線通信技術相結合的產物。WLAN是相當便利的數據傳輸系統，它通過射頻技術，利用看不見的電磁波，取代了舊式冗長的雙絞銅線所構成的有線局域網絡，在空中進行無線通信連接。

天線處于WLAN無線通信系統最前端，其性能的好壞決定了整個系統的指標。影響WLAN信號的因素有很多，首當其沖的便是距離，其次則是障礙物的阻隔。為了獲得較大的信號增益，并抑制低需求方向的信號強度，同時削弱對所需求方向造成的潛在干擾，故設計具有波束可調功能的定向天線具有重要意義。

1 天線結構設計與功能實現

圖1為所設計的天線結構示意圖，該天線單元采用微帶偶極子變形結構，印制在普通FR4電路板的正反兩個面上。正面為深黑色填充部分，由一個半徑R1的中心銅片和其周圍的六個通過尺寸為L2×W2的饋線連接的尺寸為L3×W3的輻射單元組成，六條饋線均通過微波二極管與中心銅片連接，每一條支路都利用單片機數控微波二極管的通斷，來分別控制每路天線工作。輻射單元采用傾斜的微帶偶極子結構來增大波束寬度，為了提高增益，在兩路輻射單元前方加入了兩個尺寸為L4×W4的引向單元，其作用是通過引向器集聚能量來提高天線的方向性。背面為淺灰色填充部分，反射單元為兩條尺寸為L1×W1的V型微帶條結構，使電磁波能量收斂在一定角度，來進一步提高天線增益。在背面中心截出一個半徑為R2的環形孔，讓半徑為R3的饋電探針通過該孔與正面銅片實現匹配連接。利用80C52單片機控制數控微波二極管的通斷，使天線的任意相鄰兩路同時工作，并以水平面60°角向外輻射，實現了360°任意方向的波束切換。通過改變輻射單元、反射單元和引向單元尺寸來優化其方向性和提高增益。

2 天線仿真和實驗結果

利用專業的三維電磁場仿真軟件HFSS對天線結構進行了大量的優化分析，最終獲得的天線尺寸參數為：L1=28 mm，W1=4 mm；L2=50 mm，W2=2 mm；L3=20 mm，W3=3 mm；L4=33 mm，W4=3 mm；θ1=60°，θ2=30°；R1=3 mm，R2=1.2 mm，R3=0.5 mm。

仿真得到的天線輸入匹配S11曲線如圖2（a）所示，從圖中可以看出，在整個2.4 GHz無線局域網WIFI頻段內，天線輸入匹配較好，S11曲線均低于-18 dB，并且在2.45 GHz附近達到最佳。圖2（b）為兩個單元天線同時工作的輻射方向性圖曲線，通過仿真結果可以看出，該天線結構的方向性較好，增益可達5 dB，半功率波瓣寬度超過60°。為了驗證設計方案的可行性，最終進行了天線的實物加工測試，如圖3所示。利用矢量網絡分析儀測試天線在WIFI頻段駐波比小于1.5，實現了良好匹配，符合設計要求。

3 結語

基于微帶偶極子天線的結構變形，提出一種基于單片機控制的波束可切換WIFI頻段2.4 GHz開關天線。利用HFSS仿真軟件對天線進行優化設計，并進行了實物加工和測試。仿真和實驗結果表明，該天線的輸入匹配良好，輻射特性明顯增強，可用于無線路由器終端以提升無線局域網的性能和速度。

參考文獻

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