應(yīng)用于WLAN的寬頻帶雙頻天線設(shè)計(jì)

(重慶郵電大學(xué) 自動(dòng)化學(xué)院,重慶 400065)

無(wú)線局域網(wǎng)WLAN(Wide Local Area Network)是無(wú)線通信系統(tǒng)的重要組成部分,隨著無(wú)線傳輸系統(tǒng)的進(jìn)一步發(fā)展,已得到廣泛應(yīng)用與研究。IEEE 802.11 a標(biāo)準(zhǔn) (5.150～5.350 GHz,5.725～5.875 GHz)和IEEE 802.11 b/g標(biāo)準(zhǔn)(2.400～2.484 GHz)規(guī)定了WLAN的應(yīng)用頻段與數(shù)據(jù)傳輸速率。為了滿足在復(fù)雜的WLAN環(huán)境中的傳輸要求,設(shè)計(jì)能同時(shí)工作在多個(gè)頻段且具有體積小、質(zhì)量輕、易與電路集成、寬頻帶、圓極化等特點(diǎn)的天線已成為必然趨勢(shì)。

近年來(lái),能工作在WLAN的天線已被大量提出。如采用平面倒F結(jié)構(gòu)實(shí)現(xiàn)的雙頻天線[1-2];采用探針饋電結(jié)構(gòu)的微帶天線結(jié)構(gòu),通過(guò)選擇合適的饋電點(diǎn)實(shí)現(xiàn)雙頻傳輸[3];采用共面波導(dǎo)饋電結(jié)構(gòu)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(jié)構(gòu)的天線,它將接地面與饋線分別置于介質(zhì)板兩側(cè),實(shí)現(xiàn)雙頻和三頻段[12]。

本文提出了一種采用兩個(gè)倒L結(jié)構(gòu)的設(shè)計(jì)方法,利用曲流技術(shù),在傳統(tǒng)單極子天線的基礎(chǔ)上,通過(guò)在微帶饋線兩側(cè)分別加載不同長(zhǎng)寬的諧振枝節(jié),產(chǎn)生能同時(shí)覆蓋WLAN低頻段和高頻段的寬頻帶雙頻天線。此種設(shè)計(jì)不僅減小了天線尺寸,并且利用兩個(gè)諧振枝節(jié)產(chǎn)生不同的諧振頻段,兩個(gè)諧振枝節(jié)具有相對(duì)獨(dú)立的特性,簡(jiǎn)化了雙頻天線設(shè)計(jì)。仿真結(jié)果表明,該天線具有較好的輻射特性,并且結(jié)構(gòu)簡(jiǎn)單,易于加工并與電路良好集成,能較好地用于無(wú)線通信系統(tǒng)中。

1 天線結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)

天線設(shè)計(jì)過(guò)程如圖1所示,通過(guò)在傳統(tǒng)的輻射枝節(jié)右邊添加諧振枝節(jié),同時(shí)向左彎折單極子,形成兩個(gè)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(duì)介電常數(shù)εr為4.4,損耗正切角tanδ為0.02的聚四氟乙烯 (FR4)作為介質(zhì)板,其厚度h為1.6 mm,微帶線寬度為3 mm。

圖1 天線基本結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)過(guò)程Fig.1 Process of the antenna’s structure design

根據(jù)天線的波長(zhǎng)計(jì)算公式:

式中:λ0為真空中波長(zhǎng);c為真空中光速;f為天線頻率;λ'為介質(zhì)中的波長(zhǎng);λ為介質(zhì)中單極子天線波長(zhǎng)。根據(jù)上述公式即可算得在介質(zhì)板中平面單極子天線諧振長(zhǎng)度。但對(duì)于PCB(Printed Circuit Board)板上的微帶單極子天線,波的傳輸要經(jīng)過(guò)介質(zhì)也要經(jīng)過(guò)自由空間,因此實(shí)際波長(zhǎng)應(yīng)該介于介質(zhì)的導(dǎo)波波長(zhǎng)和自由空間波長(zhǎng)之間[13]。因此,對(duì)于2.5 GHz的工作頻段,該天線波長(zhǎng)介于14.1～30 mm;對(duì)于5.5 GHz的工作頻段,該天線波長(zhǎng)介于6.5～13.6 mm。

為了更好地說(shuō)明左右兩個(gè)倒L枝節(jié)對(duì)雙頻段設(shè)計(jì)的影響。利用電磁仿真軟件Ansoft HFSS 13.0對(duì)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(cè)輻射枝節(jié)流動(dòng),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(cè)枝節(jié)處,左側(cè)輻射枝節(jié)基本沒(méi)有電流。

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

2 參數(shù)優(yōu)化設(shè)計(jì)

本節(jié)利用Ansoft HFSS 13.0對(duì)天線進(jìn)行優(yōu)化,并對(duì)天線影響較大的參數(shù)加以比較分析。在優(yōu)化過(guò)程中,采用一個(gè)參數(shù)變化,其他參數(shù)保持不變的策略,具體優(yōu)化過(guò)程如圖3。

圖3 天線重要參數(shù)的優(yōu)化Fig.3 Optimization of important antenna parameters

從圖3(a)、(b)中可看出,W1、L3對(duì)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(shí)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(shuō),天線的阻抗特性對(duì)W1、L3的變化很敏感。從圖3(c)、(d)可看出,W2、Lg的變化對(duì)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(dāng)Lg增大時(shí),天線在高頻段的諧振頻率向右有較大偏移。因此,通過(guò)適當(dāng)調(diào)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(shù)也對(duì)諧振頻率和阻抗特性有一定影響,通過(guò)對(duì)它們進(jìn)行優(yōu)化,最終確定的參數(shù)尺寸如表1所示。

表1 天線各參數(shù)優(yōu)化后的數(shù)據(jù)Tab.1 Optimized data of antenna parameters

3 仿真結(jié)果分析

圖4是參數(shù)優(yōu)化后的該天線和傳統(tǒng)平面單極子天線的回波損耗隨頻率的仿真變化圖,對(duì)比傳統(tǒng)單極子天線的諧振頻率,本文所設(shè)計(jì)的天線阻抗匹配更好。本設(shè)計(jì)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(duì)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(duì)帶寬為29.8%;各自帶寬內(nèi)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(shè)計(jì)天線的增益在諧振頻段內(nèi)分別是5.0～9.2 dBi,5.23～12.09 dBi,對(duì)比傳統(tǒng)平面單極子天線,在兩個(gè)諧振頻段都具有更好的增益特性。

圖4 優(yōu)化后S11隨頻率變化曲線Fig.4 Optimized S11versus frequency curves

圖5 優(yōu)化后增益隨頻率變化曲線Fig.5 Optimized gain versus frequency curves

表2中對(duì)比了本文設(shè)計(jì)的天線與部分參考文獻(xiàn)中所設(shè)計(jì)天線的增益、帶寬、面積等指標(biāo)。從對(duì)比結(jié)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(lái),該天線滿足在復(fù)雜的WLAN環(huán)境中的傳輸要求,可以實(shí)現(xiàn)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(yuǎn)場(chǎng)區(qū)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(shí),由于高次模的出現(xiàn),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(huán)境。

圖6 天線遠(yuǎn)場(chǎng)方向圖Fig.6 Antenna’s far field radiation patterns

4 結(jié)論

本文設(shè)計(jì)了一種應(yīng)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(duì)單極子寬度、長(zhǎng)度、接地面長(zhǎng)度等進(jìn)行優(yōu)化分析,設(shè)計(jì)出完全覆蓋WLAN頻段,能同時(shí)工作在2.4 GHz頻段和5 GHz頻段的寬頻帶雙頻天線。結(jié)果表明,該天線在低頻段與高頻段的相對(duì)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(jié)構(gòu)簡(jiǎn)單且整體面積僅為35 mm×23 mm,能用于無(wú)線終端設(shè)備中。