應用于WLAN的寬頻帶雙頻天線設計

(重慶郵電大學 自動化學院,重慶 400065)

無線局域網WLAN(Wide Local Area Network)是無線通信系統的重要組成部分,隨著無線傳輸系統的進一步發展,已得到廣泛應用與研究。IEEE 802.11 a標準 (5.150～5.350 GHz,5.725～5.875 GHz)和IEEE 802.11 b/g標準(2.400～2.484 GHz)規定了WLAN的應用頻段與數據傳輸速率。為了滿足在復雜的WLAN環境中的傳輸要求,設計能同時工作在多個頻段且具有體積小、質量輕、易與電路集成、寬頻帶、圓極化等特點的天線已成為必然趨勢。

近年來,能工作在WLAN的天線已被大量提出。如采用平面倒F結構實現的雙頻天線[1-2];采用探針饋電結構的微帶天線結構,通過選擇合適的饋電點實現雙頻傳輸[3];采用共面波導饋電結構的天線,這種饋電方式下可減小天線尺寸并加寬頻帶[4-11];采用微帶線饋電與平面單極子天線等結構的天線,它將接地面與饋線分別置于介質板兩側,實現雙頻和三頻段[12]。

本文提出了一種采用兩個倒L結構的設計方法,利用曲流技術,在傳統單極子天線的基礎上,通過在微帶饋線兩側分別加載不同長寬的諧振枝節,產生能同時覆蓋WLAN低頻段和高頻段的寬頻帶雙頻天線。此種設計不僅減小了天線尺寸,并且利用兩個諧振枝節產生不同的諧振頻段,兩個諧振枝節具有相對獨立的特性,簡化了雙頻天線設計。仿真結果表明,該天線具有較好的輻射特性,并且結構簡單,易于加工并與電路良好集成,能較好地用于無線通信系統中。

1 天線結構設計

天線設計過程如圖1所示,通過在傳統的輻射枝節右邊添加諧振枝節,同時向左彎折單極子,形成兩個分別工作在5 GHz頻段和2.4 GHz頻段的諧振單元。天線的整體尺寸為35 mm×23 mm,采用的是相對介電常數εr為4.4,損耗正切角tanδ為0.02的聚四氟乙烯 (FR4)作為介質板,其厚度h為1.6 mm,微帶線寬度為3 mm。

圖1 天線基本結構設計過程Fig.1 Process of the antenna’s structure design

根據天線的波長計算公式:

式中:λ0為真空中波長;c為真空中光速;f為天線頻率;λ'為介質中的波長;λ為介質中單極子天線波長。根據上述公式即可算得在介質板中平面單極子天線諧振長度。但對于PCB(Printed Circuit Board)板上的微帶單極子天線,波的傳輸要經過介質也要經過自由空間,因此實際波長應該介于介質的導波波長和自由空間波長之間[13]。因此,對于2.5 GHz的工作頻段,該天線波長介于14.1～30 mm;對于5.5 GHz的工作頻段,該天線波長介于6.5～13.6 mm。

為了更好地說明左右兩個倒L枝節對雙頻段設計的影響。利用電磁仿真軟件Ansoft HFSS 13.0對2.5 GHz和5.5 GHz處天線的電流分布做了仿真分析,具體電流分布情況如圖2。從圖2中可看出,在2.5 GHz處天線的電流由饋電端口向左側輻射枝節流動,隨角度的變化,電流又流回端口;在5.5 GHz處,天線電流也隨角度不同逐漸變化,且主要集中在右側枝節處,左側輻射枝節基本沒有電流。

圖2 天線表面電流隨角度變化趨勢Fig.2 Antenna surface currents with the angle changes

2 參數優化設計

本節利用Ansoft HFSS 13.0對天線進行優化,并對天線影響較大的參數加以比較分析。在優化過程中,采用一個參數變化,其他參數保持不變的策略,具體優化過程如圖3。

圖3 天線重要參數的優化Fig.3 Optimization of important antenna parameters

從圖3(a)、(b)中可看出,W1、L3對天線的回波損耗有較大影響。隨著W1的增大,該天線低頻段的回波損耗逐漸增大,同時高頻段的回波損耗卻有所減小。隨著L3增大,低頻段的回波損耗減小;高頻段回波損耗呈先減小后增大變化。也就是說,天線的阻抗特性對W1、L3的變化很敏感。從圖3(c)、(d)可看出,W2、Lg的變化對高頻段的諧振頻率影響較大。隨著W2的增大,在高頻段的諧振頻率逐漸左移;而當Lg增大時,天線在高頻段的諧振頻率向右有較大偏移。因此,通過適當調整W2與Lg,可有效改變高頻段的諧振頻率。此外,天線的其他參數也對諧振頻率和阻抗特性有一定影響,通過對它們進行優化,最終確定的參數尺寸如表1所示。

表1 天線各參數優化后的數據Tab.1 Optimized data of antenna parameters

3 仿真結果分析

圖4是參數優化后的該天線和傳統平面單極子天線的回波損耗隨頻率的仿真變化圖,對比傳統單極子天線的諧振頻率,本文所設計的天線阻抗匹配更好。本設計低頻段的中心頻率是2.5 GHz,小于-10 dB的阻抗帶寬約為450 MHz,相對帶寬為17.6%;高頻段中心頻率是5.5 GHz,小于-10 dB的阻抗帶寬為1750 MHz,相對帶寬為29.8%;各自帶寬內的回波損耗最小值分別是-28 dB,-27.9 dB。圖5是兩種天線增益隨頻率的變化圖,從圖5中可看出,文中所設計天線的增益在諧振頻段內分別是5.0～9.2 dBi,5.23～12.09 dBi,對比傳統平面單極子天線,在兩個諧振頻段都具有更好的增益特性。

圖4 優化后S11隨頻率變化曲線Fig.4 Optimized S11versus frequency curves

圖5 優化后增益隨頻率變化曲線Fig.5 Optimized gain versus frequency curves

表2中對比了本文設計的天線與部分參考文獻中所設計天線的增益、帶寬、面積等指標。從對比結果可知,文中的天線尺寸較小,能完全覆蓋WLAN頻段,且具有較大增益。綜合看來,該天線滿足在復雜的WLAN環境中的傳輸要求,可以實現較好的雙頻傳輸。

表2 天線性能比較Tab.2 Comparison of antenna’s performance

圖6給出了天線的遠場區方向圖。從圖6中可看出,該天線在2.4,5.2,5.8 GHz的xz(E面)平面和yz(H面)平面都具有較好的全向輻射特性。但隨著天線頻率增加,天線的全向輻射性能有所變差。特別是在5.8 GHz時,由于高次模的出現,天線的全向輻射圖有較大變化。但天線總體輻射性能較好,能適用于WLAN的傳輸環境。

圖6 天線遠場方向圖Fig.6 Antenna’s far field radiation patterns

4 結論

本文設計了一種應用于WLAN的倒L型寬頻帶雙頻天線。并在電磁仿真軟件HFSS 13.0中對單極子寬度、長度、接地面長度等進行優化分析,設計出完全覆蓋WLAN頻段,能同時工作在2.4 GHz頻段和5 GHz頻段的寬頻帶雙頻天線。結果表明,該天線在低頻段與高頻段的相對帶寬分別為17.6%和29.8%,在2.4 GHz和5.2 GHz處的增益分別為8.04 dBi和7.61 dBi,此外,該天線結構簡單且整體面積僅為35 mm×23 mm,能用于無線終端設備中。