無線局域網(wǎng)應(yīng)用的接地平面單極天線的設(shè)計(jì)

楊慧春 高攸綱 平子良 程 韌

（1.北京郵電大學(xué)世紀(jì)學(xué)院，北京 102613；2.北京郵電大學(xué)電子工程學(xué)院，北京 100876）

引 言

無線局域網(wǎng)（WLAN）是無線通信與計(jì)算機(jī)網(wǎng)絡(luò)相結(jié)合的技術(shù)，是一種可實(shí)現(xiàn)的高效數(shù)據(jù)無線傳輸?shù)慕鉀Q方式，實(shí)現(xiàn)用戶的可移動(dòng)性。隨著IEEE802.11a（5.15～5.35GHz，5.725～5.825 GHz）和IEEE802.11b／g（2.4～2.48GHz）標(biāo)準(zhǔn)的提出，無線局域網(wǎng)通信技術(shù)得到了迅猛的發(fā)展。與此同時(shí)，對(duì)WLAN天線的需求也逐步增多，無論是手機(jī)，個(gè)人電腦的無線網(wǎng)卡還是各種各樣的遠(yuǎn)程感應(yīng)設(shè)備，都需要體積小、重量輕、多頻段、寬頻帶的天線［1-2］，同時(shí)，為了適應(yīng)各種復(fù)雜的環(huán)境，還要求天線具備良好的全向性能。

近年來平面單極天線以其重量輕、全向特性好、成本低廉、加工方便等優(yōu)點(diǎn)得到了廣泛的應(yīng)用。矩形平面單極天線是一種性能良好的全向天線，具有幾何形狀簡(jiǎn)單、阻抗帶寬大、輻射方向圖在阻抗帶寬內(nèi)變化不大的特點(diǎn)。但是，傳統(tǒng)的平面單極天線高度為λ／4，頻率較低時(shí)，天線太高，不利于集成。

提出了一種新型短路帶切角的開槽平面單極天線，其頂端變形為水平矩形加載，這將大幅度降低天線高度，并且進(jìn)一步擴(kuò)展阻抗帶寬，使之在設(shè)計(jì)要求的2.4～2.484GHz頻帶內(nèi)滿足電壓駐疲比（VSWR）＜2；同時(shí)應(yīng)用垂直輻射貼片表面開槽技術(shù)，確保天線能夠工作在5.15～5.35／5.725～5.825GHz頻段。

該帶切角的短路開槽平面單極天線完全覆蓋了WLAN 2.4／5.2／5.8GHz的工作頻段，H 面全向性很好，并具有易加工和低成本的優(yōu)點(diǎn)。

1 單極天線的理論分析

所謂天線的有效高度，是指把原來不均勻分布的電流振幅，依波腹電流來均勻分布時(shí)應(yīng)有的高度。一段實(shí)際高度為h的垂直天線（沿z軸放置），天線上電流振幅依正弦函數(shù)分布，沿線電流振幅的分布為

式中:I0為波腹電流；β=2π／λ為相移常數(shù)。

根據(jù)有效高度he的定義

故有效高度

對(duì)于h=λ／4的單極天線，其有效高度

為了增大有效高度就必須使電流均勻分布。通常要在垂直振子頂部加上水平的導(dǎo)線網(wǎng)。它們加大了振子終端的電容，使原來的終端電流波節(jié)移至導(dǎo)線網(wǎng)的末端，使垂直振子上的電流分布更加均勻，這種方法稱為天線的加載。頂部加載好比把天線應(yīng)加長(zhǎng)的部分折轉(zhuǎn)，使電流波節(jié)移至水平部分的末端，見圖1所示。

圖1 加載天線的電流

對(duì)于線天線加載的電阻應(yīng)滿足規(guī)律［3-6］為

式中:h為天線高度；z為以饋電點(diǎn)為原點(diǎn)的天線上任一點(diǎn)的坐標(biāo)；φ是比例因子，

其中，a是天線半徑。

單極振子天線已通過展寬阻抗帶寬發(fā)展到了平面單極天線，如矩形平面單極天線、圓盤單極天線、梯形單極天線、倒錐單極天線。為了繼續(xù)擴(kuò)展頻帶，對(duì)平面單極天線又提出了多種方法，如偏置饋電、短路和切角技術(shù)等［7-10］。

由于現(xiàn)代通信系統(tǒng)的小型化、集成化的特點(diǎn)，多頻天線得到了大量的研究。實(shí)現(xiàn)天線多頻的方法主要有多貼片法、短路法和表面開槽法等［11-13］。多貼片法是在天線的上面或四周增加一個(gè)或多個(gè)寄生貼片，由寄生貼片產(chǎn)生新的一個(gè)或多個(gè)諧振，從而達(dá)到雙頻或多頻的特性。短路法指在天線貼片和接地板之間添加一些短路結(jié)構(gòu)，如短路針、短路片等，改變天線基模或高次模的諧振頻率，選擇合適的位置加載可以實(shí)現(xiàn)多頻特性。表面開槽法是將天線的表面金屬挖去一部分，改變天線的表面電流分布，即引入新的一個(gè)諧振，從而實(shí)現(xiàn)天線的多頻工作特性，槽的形狀有U形，L形等。

2 天線設(shè)計(jì)與仿真

為了降低天線的高度，易于集成，該文的平面單極天線將頂部折返成兩個(gè)對(duì)稱的矩形單元，還應(yīng)用了開槽技術(shù)來拓展頻帶，即在垂直輻射面上開L形槽，天線的頻率特性主要取決于天線的尺寸和L形開槽的位置。

改進(jìn)的平面單極天線，天線總尺寸為17.0mm×26.0mm×16.0mm，單個(gè)矩形寄生單元的尺寸為8.5mm×10.0mm.

垂直輻射單元上的L形縫隙設(shè)計(jì)如下，水平縫隙:在頂部加載單元下方1.0mm處的位置，縫寬1.0mm，縫長(zhǎng)8.6mm；垂直縫隙:縫寬2.0mm，縫高6.5mm，見圖2所示。

天線放置在60mm×80mm的地面上，使用50 Ω同軸線單點(diǎn)偏置饋電，并采用位于天線另一側(cè)的梯形平面短路片來實(shí)現(xiàn)接地，短路片及饋電處的尺寸如圖3所示。

天線采用了斜切角和開槽的設(shè)計(jì)，使得天線上電流分為不同路徑，不同長(zhǎng)度的路徑對(duì)應(yīng)不同的工作頻帶，從而實(shí)現(xiàn)天線的多頻特性。圖4所示為天線的電流路徑。

其中路徑1是從短路處到水平加載的矩形單元開路處，包括如下三段:天線高度16mm、水平加載矩形的長(zhǎng)度8.5mm、斜切角的一段約7mm.路徑2是從饋電處到水平加載的矩形單元開路處，同樣也包括如下類似的三段:天線高度、水平加載矩形的長(zhǎng)度、斜切角的一段。路徑3為饋電處到水平縫隙，天線的總高度16mm，所以水平開槽設(shè)計(jì)在頂部加載1mm的下方位置，開槽寬度也設(shè)置成1mm，見圖2所示。路徑1、路徑2的總長(zhǎng)度各約31.5mm，天線諧振在2.4GHz頻段；路徑3長(zhǎng)度14mm，天線諧振在5.5GHz頻段。

3 實(shí)驗(yàn)結(jié)果分析

圖5為制作的天線實(shí)物，由厚度為0.2mm的銅皮制作完成，使用50Ω的半鋼同軸電纜饋電。

為了驗(yàn)證天線設(shè)計(jì)方法的有效性，基于圖2給出的尺寸，制作了天線，使用安捷倫5230網(wǎng)絡(luò)分析儀對(duì)天線的輸入特性進(jìn)行了測(cè)試，天線仿真和實(shí)測(cè)的回波損耗如圖6所示。

圖6可以看出，仿真和實(shí)測(cè)的結(jié)果基本吻合。實(shí)測(cè)在2.3～2.52GHz／4.96～6.07GHz通帶內(nèi)回波損耗均在-10dB以下，天線的帶寬較寬，可以滿足 WLAN 2.4～2.484／5.15～5.35／5.725～5.825 GHz的覆蓋要求。

圖7所示為此開槽短路平面單極天線H面的輻射方向圖，（a）圖中心頻率為2.4GHz，（b）圖中心頻率為5.5GHz，可以看出該天線具有很好的全向性。在2.4GHz、5.5GHz兩個(gè)頻段天線的增益均約為2dB.天線方向圖的測(cè)量結(jié)果與仿真結(jié)果吻合較好，兩者存在的偏差主要是由同軸接頭的焊接、天線尺寸的加工誤差以及測(cè)量條件等因素造成的，這些偏差是可以接受的。

4 結(jié) 論

在傳統(tǒng)的平面單極天線基礎(chǔ)上，提出了一種新型帶切角短路開槽平面單極天線，采用水平寄生單元降低天線高度，并在天線的垂直輻射分枝上開槽來擴(kuò)展頻帶，結(jié)果驗(yàn)證這種新型的結(jié)構(gòu)可以滿足WLAN 2.4～2.484／5.15～5.35／5.725～5.825 GHz多頻帶覆蓋的要求，并且具有很好的全向性，該天線具有結(jié)構(gòu)簡(jiǎn)單、成本低等優(yōu)點(diǎn)。

［1］KO S C K，MURCH R D.Compact integrated diversity antenna for wireless communications［J］.IEEE Transactions on Antennas and Propagation，2001，49（6）:954-960.

［2］HSIAO H M，WU J W，WANG Y D.Novel dualbroadband rectangular-slot antenna for 2.4／5GHz wireless communication［J］.Microwave and Optical Technology Letters，2005，46（3）:197-200.

［3］褚慶昕，葉亮華.用于 WLAN／WiMAX的雙頻緊湊型天線［J］.電波科學(xué)學(xué)報(bào)，2010，25（5）:893-898.CHU Qingxin，YE Lianghua.Compact dual-band antenna for WLAN／WiMAX applications［J］.Chinese Journal of Radio Science，2010，25（5）:893-898.（in Chinese）

［4］王一平，郭宏福.電磁波-傳輸輻射傳播［M］.西安:西安電子科技大學(xué)出版社，2006:37-39

［5］AMMANN M J，CHEN Z N.A wide-band shorted planar monopole with bevel［J］.IEEE Transactions on Antennas and Propagation，2004，51（4）:901-903.

［6］BAIK J W，KIM Y S.Printed inset sleeve monopole antennas for dual-band applications［J］.Microwave and Optical Technology Letters，2008，50（8）:1995-1997.

［7］戚冬生，黎濱洪，劉海濤，等.縫隙加載H形雙頻天線［J］.電波科學(xué)學(xué)報(bào)，2004，19（1）:171-175 QI Dongsheng，LI Binhong，LIU Haitao，et al.Slotloaded H-shaped dual-frequency antenna［J］.Chinese Journal of Radio Science，2004，19（1）:171-175.（in Chinese）

［8］SKNGH D，KALIALAKIS C，GARDNER P.Small H-shaped antennas for MMIC applications［J］.IEEE Transactions on Antennas and Propagation，2000，48（7）:1134-1141.

［9］CHEN Z N.Broadband monopole antenna with parasitic planar element［J］.Microw Opt Technol Lett，2000，27（3）:209-210.

［10］施勝杰，郭輝萍.一種新型超寬帶平面單極天線的設(shè)計(jì)［J］.通信技術(shù)，2009，42（1）:112-114.SHI Shengjie，GUO Huiping.Design of novel ultrawideband planar monopole antenna［J］.Communications Technology，2009，42（1）:112-114.（in Chinese）

［11］AGRAWALL P A，KUMAR G，RAY K.Wideband planar monopole antennas［J］.IEEE Transactions on Antennas and Propagation，1998，46，294-295.

［12］呂文俊，程 勇，程崇虎.一種新型多頻縫隙微帶天線的設(shè)計(jì)［J］.電波科學(xué)學(xué)報(bào)，2006，21（2）:265-269.LV Wenjun，CHENG Yong，CHENG Chonghu.Design of a novel multi-frequency microstrip slot an-tenna［J］.Chinese Journal of Radio Science，2006，21（2）:265-269.（in Chinese）