用于無線局域網(wǎng)的三頻印刷天線設(shè)計

萬小鳳，鄭宏興，張玉賢

（天津職業(yè)技術(shù)師范大學(xué)天線與微波技術(shù)研究所，天津300222）

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用于無線局域網(wǎng)的三頻印刷天線設(shè)計

萬小鳳，鄭宏興，張玉賢

（天津職業(yè)技術(shù)師范大學(xué)天線與微波技術(shù)研究所，天津300222）

摘要：設(shè)計一種三頻印刷天線，利用在輻射貼片上開槽和添加枝節(jié)的方法，實現(xiàn)在無線局域網(wǎng)（WLAN）系統(tǒng)工作的要求。這種天線的帶寬分別是210 MHz（2.31～2.52 GHz）和1.95 GHz（4.30～6.25 GHz），有效覆蓋了WLAN的2.4 GHz、5.2 GHz和5.8 GHz 3個頻段。在不同頻點對天線的表面電流進(jìn)行了分析和討論。實測結(jié)果表明：這種天線具有良好的遠(yuǎn)場輻射特性，其增益可達(dá)5.2 dB。

關(guān)鍵詞：三頻印刷天線；開槽；枝節(jié)；電流分布；無線局域網(wǎng)

微帶天線具有體積小、重量輕、易共形等優(yōu)點，在移動通信、衛(wèi)星通信、廣播電視等方面都有廣泛的應(yīng)用。由于無線電系統(tǒng)的快速發(fā)展，人們對天線的要求也越來越高，單一頻段的天線已不能滿足社會的需求。無線局域網(wǎng)（wireless local area network，WLAN）的出現(xiàn)正逐步取代舊的有線網(wǎng)絡(luò)模式，實現(xiàn)無地域限制的無線信號連接。目前的無線局域網(wǎng)主要工作在2.45 GHz（2.4～2.484 GHz）、5.25 GHz（5.15～5.35 GHz）和5.8 GHz（5.725～5.825 GHz）3個頻段[1-2]，可以同時工作在無線局域網(wǎng)多個頻段的天線是目前國內(nèi)外學(xué)者的研究熱點。多頻天線的實現(xiàn)方式有很多種，一般比較常用的是輻射貼片和接地板開槽技術(shù)、短路探針加載、多層介質(zhì)結(jié)構(gòu)和多層金屬貼片技術(shù)[3]。本文利用2個輻射單元，通過開槽和添加枝節(jié)，設(shè)計了一個可以同時工作在WLAN 3個頻段內(nèi)的天線。這種天線具有結(jié)構(gòu)簡單、設(shè)計方便等優(yōu)勢，在實際應(yīng)用中有重要的使用價值。

1　天線結(jié)構(gòu)設(shè)計

微帶天線的輻射是由天線導(dǎo)體邊緣與地板之間的場產(chǎn)生的。Zhu[4]在他提出的場論中詳細(xì)研究了微帶天線的不連續(xù)性輻射，他的分析基礎(chǔ)是導(dǎo)體中的電流。這種方法也可用于研究輻射對微帶天線品質(zhì)因數(shù)的改變與作用方面。由此分析，輻射對品質(zhì)因數(shù)等的影響可以描述為工作頻率、基片厚度、相對介電常數(shù)及諧振器尺寸的函數(shù)[5]。理論和實驗結(jié)果都表明，在高頻段時，天線輻射的損耗要遠(yuǎn)大于導(dǎo)體和介質(zhì)的損耗；而基片越厚，開路的微帶線輻射越強。

將矩形微帶貼片天線作為分析對象，運用傳輸線模型法分析微帶天線的輻射原理。假設(shè)矩形微帶天線輻射單元的長和寬分別為L和W，介質(zhì)基片厚為h，工作波長為λg，這時可將微帶天線看作一個2端斷開形成開路的長L為λg/2的微帶傳輸線[6-7]。接地板與介質(zhì)基片的電場在貼片厚度h和寬度W的方向上并無變化，而是僅沿長度L方向進(jìn)行變化，因此輻射場可以看作是由貼片沿長度L方向上開路端的邊緣場引起的。這時，將邊緣場分解為水平分量和垂直分量，由于L≈λg/2，所以水平方向上的電場分量是同相的，而2開路端的垂直方向上的電場分量方向相反，該分量產(chǎn)生的場會相互抵消。因此，矩形微帶天線可看作為無限大的平面上進(jìn)行同相激勵的2個縫隙，2個縫隙寬度近似等于介質(zhì)板的厚度[8]。遠(yuǎn)區(qū)輻射場主要由該分量場產(chǎn)生，最大輻射方向在垂直于貼片的方向，微帶天線的輻射可以看作由2個縫隙組成的二元陣。

為實現(xiàn)天線在多個頻段工作的目的，本文在微帶天線的結(jié)構(gòu)基礎(chǔ)上進(jìn)行改進(jìn)，設(shè)計了2個輻射單元結(jié)構(gòu)，如圖1所示。天線印刷在介質(zhì)基板上，介質(zhì)基板采用相對介電常數(shù)為4.4的FR4材料，基板的長寬高尺寸為L×W×H。介質(zhì)基板上表層形狀如圖中灰色部分顯示，其中陰影部分表示接地板。該天線主要由介質(zhì)基板、輻射貼片、微帶饋電線和接地板組成。接地板長寬尺寸為L2×W，微帶饋線長寬尺寸為L1×W1，其中輻射貼片是由一個未封閉環(huán)狀結(jié)構(gòu)和一個h形結(jié)構(gòu)組成。h形結(jié)構(gòu)由3個小矩形合并而成，寬度都為w，未封閉環(huán)狀結(jié)構(gòu)由一個矩形和一個圓環(huán)組成。大圓半徑為R1，在大圓內(nèi)切掉一個半徑為R2的小圓，并且在環(huán)狀結(jié)構(gòu)右上方開一個長寬尺寸為L6×W3的矩形槽。圖中O點為圓心和環(huán)狀結(jié)構(gòu)矩形中點。

圖1　天線結(jié)構(gòu)圖

2　天線結(jié)構(gòu)分析

通過HFSS軟件對所設(shè)計的天線進(jìn)行設(shè)計，當(dāng)輻射貼片只是一個圓形和一個矩形的組合時，其對應(yīng)的S11曲線如圖2所示?？梢姶藭r天線只有一個諧振頻率，在5 GHz附近，是一個單頻印刷天線。從圖2中可以看出天線-10 dB帶寬范圍為3.9～6.1 GHz。為減小天線體積，采用在輻射貼片上開槽的方法來實現(xiàn)雙頻。當(dāng)在圓形和矩形組合輻射貼片上開一個圓形槽時，天線帶寬有輕微的縮小和向左偏移的趨勢，由3.9～6.1 GHz變?yōu)?.7～5.7 GHz，天線的S11曲線圖如圖3所示；當(dāng)圓形槽半徑變化時，天線帶寬變化如圖4所示，圓形槽半徑越大，天線頻帶越往左偏移。

圖2　簡單單頻天線S11圖

圖3　開有圓形槽的單頻天線S11圖

當(dāng)在開完圓形槽的輻射貼片上增加一個倒置的L形結(jié)構(gòu)時，由于給天線增加了一個調(diào)諧枝節(jié)，天線由單頻轉(zhuǎn)變?yōu)殡p頻，外圍的環(huán)狀結(jié)構(gòu)確定中心頻點在4.7 GHz左右，而中間的L形結(jié)構(gòu)決定中心頻點位于6.1 GHz，其結(jié)果如圖5所示。這種天線結(jié)構(gòu)下的-10 dB帶寬范圍為3.7～5.1 GHz和5.85～6.6 GHz。

由圖5可知天線頻段總體偏高，為達(dá)到設(shè)計要求，將倒置的L形調(diào)諧枝節(jié)轉(zhuǎn)換為h形枝節(jié)，天線總體頻段有所下降，結(jié)果如圖6所示。環(huán)狀結(jié)構(gòu)直接控制著天線在低頻段3.7～4.38 GHz的頻率響應(yīng)，h形結(jié)構(gòu)控制可對高頻段4.68～6.05 GHz進(jìn)行調(diào)制，其中高頻段適用于無線局域網(wǎng)通信系統(tǒng)。由于4.3 GHz頻段應(yīng)用率較低，因此采用在環(huán)狀結(jié)構(gòu)輻射貼片上開矩形槽的方法，降低低頻段頻率，使天線低頻段中心頻率控制在2.4 GHz。未封閉結(jié)構(gòu)天線S11圖如圖7所示，經(jīng)過開矩形槽后，天線的2個頻段分別為2.31～2.52 GHz 和4.3～6.25 GHz，完全覆蓋無線局域網(wǎng)系統(tǒng)的3個頻段。

圖4　S11隨半徑R2的變化圖

圖5　圓形槽內(nèi)加到L枝節(jié)天線S11圖

圖6　圓形槽內(nèi)加h形枝節(jié)天線S11圖

圖7　未封閉結(jié)構(gòu)天線S11圖

天線貼片金屬上的電流分布如圖8所示。當(dāng)f = 2.4 GHz，天線的最大電流分布主要集中在左側(cè)，如圖8（a）所示。由于矩形槽的存在使電流被截斷，從而無法和右側(cè)構(gòu)成電磁回路，電流僅在左側(cè)進(jìn)行振蕩。當(dāng)f = 5.2 GHz，最大電流分布主要集中在h形結(jié)構(gòu)上，如圖8（b）所示。此時，兩邊的電流分布非常微弱，顯然是單一的模式。當(dāng)f = 5.8 GHz，天線的最大電流基本分布在右側(cè)，而左側(cè)也存在一部分比較大的電流，二者對5.8 GHz時的電磁向外輻射起到共同影響的作用，電流分布情況如圖8（c）所示。

圖8　天線在不同頻點的電流分布圖

3　實驗結(jié)果

根據(jù)分析，選擇最佳天線結(jié)構(gòu)設(shè)計結(jié)果，得出天線參數(shù)如表1所示。分別選取工作頻段內(nèi)的2.4 GHz、5.2 GHz和5.8 GHz作為參考頻率點，對天線的遠(yuǎn)場輻射特性進(jìn)行仿真。通過xOy和yOz平面可觀察天線的遠(yuǎn)場輻射特性，其遠(yuǎn)場方向圖如圖9所示。由圖9可看出，在2.4 GHz、5.2 GHz和5.8 GHz工作頻段內(nèi)，天線具有很好的全向輻射特性。

表1　優(yōu)化后的天線參數(shù)mm

根據(jù)表1的天線尺寸，做出相應(yīng)的天線實物，如圖10所示。采用AV3629高性能射頻一體化矢量網(wǎng)絡(luò)分析儀對天線反射系數(shù)和電壓駐波比進(jìn)行測試，測試結(jié)果如圖11和圖12所示。將相同幾何參數(shù)天線的仿真曲線放在圖中進(jìn)行對比可知，雖有部分誤差存在，但二者整體保持一致。

圖11　天線S11曲線實測和仿真對比圖

圖12　天線VSWR曲線實測和仿真對比圖

4　結(jié)束語

本文設(shè)計了一個應(yīng)用于WLAN系統(tǒng)中的三頻天線，天線在WLAN規(guī)定使用的2.4 GHz、5.2 GHz和

5.8GHz頻段上具有較寬的帶寬，方向圖和增益達(dá)到要求，利用2個輻射單元就可覆蓋WLAN的3個頻段，結(jié)構(gòu)簡單，設(shè)計方便。

參考文獻(xiàn)：

［1］劉景湘，方安安，胡少文.一種應(yīng)用于WLAN的容性饋電微帶天線設(shè)計[J].電子元件與材料，2014，33（3）：58-61.

［2］ZHANG Z B.A design of multi-frequency antenna used for WLAN and WiMAX system[D].Dalian：Dalian Maritime Affairs University，2013.

［3］LIN P，RUAN C L，WU X H.Design and operation of dual/ triple-band asymmetric M-shaped microstrip patch antennas [J].IEEE Antennas and Wireless Propagation Letters，2010，9（2）：1069-1072.

［4］ZHU J，ANTONIADES M A，ELEFTHERIADES G V.A compact tri-band monopole antenna with single cell metamaterial loading[J].IEEE Transaction on Antennas and Propagation，2010，58（4）：1031-1038.

［5］BEHERA PAL A，VINOY K J.Design of multi-frequency microstrip antennas using multiple rings [J].IET Microwave Antennas Propagation，2009，3（1）：77–84.

［6］ABUTARBOUSH H F，SHAMIM A.Paper-based inkjetprinted tri-band U-slot monopole antenna for wireless applications[J].IEEE Antennas and Wireless Propagation Letters，2012，11（4）：1234-1237.

［7］GAI S，JIAO Y C，ZHU P.A miniaturization novel monopole antenna applied to WLAN [J].Journal of Microwave，2010，25（3）：172-174.

［8］QIANG P.The research and design of miniaturized multiband microstrip antenna[D].Hangzhou：Hangzhou University of Electronic Science and Technology，2011.

A tri-band printed antenna designed for WLAN

WAN Xiao-feng，ZHENG Hong-xing，ZHANG Yu-xian
（Institute of Antenna and Microwave Techniques，Tianjin University of Technology and Education，Tianjin 300222，China）

Abstract：A tri-band printed antenna is designed in this paper.By using slotted and added minor on the radiation patch，the requirements for implementation in wireless local area network（WLAN）systems are realized.The bandwidth is 210 MHz（2.31-2.52 GHz）and 1.95 GHz（4.30-6.25 GHz），covered 2.4 GHz，5.2 GHz and 5.8 GHz of the WLAN.In this paper，the surface current of the antenna is analyzed and discussed at different frequency points.Experimental results show that the antenna is with good far field radiation characteristics，and the corresponding gain up to 5.2 dB.

Key words：tri-band printed antenna；slotting；minor；current distribution；wireless local area network（WLAN）

作者簡介：萬小鳳（1990—），女，碩士研究生；鄭宏興（1962—），男，教授，博士，碩士生導(dǎo)師，研究方向為天線、微波電路及計算電磁學(xué).

基金項目：國家自然科學(xué)基金資助項目（61371043）.

收稿日期：2015-09-10

中圖分類號：TN822

文獻(xiàn)標(biāo)識碼：A

文章編號：2095－0926（2016）01－0014－04