基于WLAN系统的双频印刷偶极子天线介绍与设计

电子工程师 2017-12-10 4577

RF/无线

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描述

随着人们对通信质量和通信设备的集成要求不断增强。作为通信设备子部件，天线也需要更高的性能以满足通信系统的需要。截止目前，已有多种形式的天线被研发和应用。Yi-Chieh Lee等人提出了一种开环形槽的贴片天线，它可以工作在2．4 GHz和5．2GHz两个频段。 Johanna M Steyn，Johan Joubert和Johann W Odendaal展示了一种工作在2．4 GHz和5．2 GHz频段的DBDP（Dual-Band Dual-Polarized）天线阵。Zhang Q Y，Chu Q X，Wang Y提出了一种带有集成巴伦的贴片天线，覆盖了WLAN系统中的3个频段。Li X，Yang L，Gong S X，Yang Y J提出了一种偶极子天线，偶极子的两个臂上有对称的开槽，使得天线可以在3个频段上工作。另外还有一些其他形式的天线，比如对数天线，准八木天线等各种形式的天线。而这些天线或因尺寸太大，不便集成和共形，或因结构复杂不便制作。而采用耦合馈电的印刷偶极子天线是一种结构非常简单，而且易共形天线，适用于通信终端。

本文介绍了一种可用于WLAN的印刷偶极子天线，采用巴伦来耦合馈电40 nnn×50 mm的尺寸，结构非常简单，覆盖了WLAN的两个频段（2.4 GHz和5．8 GHz），适用于WLAN系统。

1 天线结构

由偶极子的工作原理可知，其谐振臂的长度约为谐振波长的1／4。为了能够双频工作，必须要有能激起两个谐振的面电流，对于偶极子就需要有两对谐振臂。为了缩小天线的尺寸，一般采取弯曲谐振臂使电流长度变长的方式达到减小天线谐振臂的长度。对于WLAN的两个频段2 400～2484 MHz和5 725～5 825MHz。由偶极子的工作原理可知，对应于低频段f0=2．4GHz的谐振电流长度约为31mm，而对应于高频段f0=5．8 GHz的谐振电流长度约为13 mm。此外，馈电方式直接影响着天线是否适合集成或共形，采用合理的馈电方式不仅可以缩小天线的尺寸，还可以使天线较容易集成和共形，在整个通信系统中占用更小的空间。李峰，张福顺，焦永昌提出的印刷偶极子采用了集成的巴伦，使天线适合集成和共形。根据以上的设计理论，本文所研究介绍的天线馈电是采用从天线背面耦合馈电的集成巴伦，同时在天线的谐振臂上开槽使得天线可以双频工作，该天线是一个可覆盖WLAN的高低两个频段的小型双频印刷偶极子。

小型双频印刷偶极子天线的结构如图1所示。整个系统有一对开槽的偶极子，巴伦馈电和介质板组成。该介质板是厚度h=1．0 mm，相对介电常数εr=4．4的FR4介质板。

将天线臂沿y轴开1个槽，再沿x轴开1个槽来满足WIAN双频的要求，由于这两个谐振臂距离较近，谐振频率对这两个槽的宽度变化非常敏感，通过不断地仿真优化，确定它们的宽度分别为3 mm和2mm。馈电微带线的宽度影响着整个天线系统的匹配，而且馈电线对天线进行耦合馈电的位置对谢振频率和系统匹配也有影响，用商业软件Ansofi HFSS对天线进行建模、仿真、优化之后，得到天线的尺寸（单位：mm）为 L=50，L1=44，L2=21，L3=6，L11=9，L12=16，L13=21，L14=13，W=40，W1=2，W2=20，W3=9，W4=4，W5=4，W6=3，W11=1，W12=1．5，W13=1．5，W14=2．5。加工后的天线正反面结构图，如图2所示。

2 仿真结果

天线的驻波比仿真和测量结果如图3（a）所示。驻波比VSWR≤2的阻抗带宽在2.4GHz频段测量结果约为 650MHz（2．15～2．8GHz约26.26％）比仿真结果580 MHz（2．15～2．73 GHz约23．77％）的带宽，5．8 GHz频段的测量结果约为870 MHz（5．19～6．06 GHz约15．47％）与带宽为850 MHz（5．2～6．05 GHz约15．1l％）仿真结果相近，覆盖了IEEE802．1l b／g（2．4～2．484 GHz）和IEEE802．11a（5．725～5．825 GHz）所要求的频段，从仿真结果和测量结果的对比来看，总体上还是比较符合的，在低频段的一点不一致应该是由于仿真软件的数值计算误差引起的。

当天线工作2．4 GHz频段时，辐射有长的谐振臂产生，此时沿长臂的电流长度约30 mm，非常接近该频段工作波长的1／4。而当天线工作于5．8 GHz频段时，辐射由短的谐振臂产生，此时沿短臂的电流长度约为14 mm，也非常接近该频段的工作波长的1／4。仿真的结果符合开槽前的理论预期，所以对偶极子臂按文中的方式开槽可以使天线双频工作，满足WLAN的频带要求。

该天线的方向图如图4所示，可以看出在f0=2．45 GHz时它的辐射方向图非常理想，基本达到了全向辐射，这个结果比预期要好，其次在f0=5．775 GHz时，其辐射方向图很接近理想的辐射方向图，也基本达到了全向辐射。与设计天线时的预期结果相比较，得到的这个结果符合要求。另外这个天线的尺寸比较小40mm×50mm，带宽比较宽（2．4GHz时2．15～2．8GHz约26.26％，5.8GHz时5．19～6．06 GHz约15.47％），可以满足WLAN系统的要求。

3 结束语

文中设计了应用于WLAN系统的双频印刷偶极子天线，在带宽和方向图上都有很好的优势，与文献中的天线相比，本文所介绍的天线实现了双频工作，与文献中的天线相比较，本文所介绍的天线不仅在带宽上比它宽，而且在尺寸上也小很多。所以这个天线以其尺寸小、结构简单、性能好、造价低、便于集成的优势，可以满足WLAN的通信要求。

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