WLAN頻段印刷全向天線設(shè)計(jì)研究

湯慰

摘 要：本文以印刷串饋偶極子天線為核心，通過天線設(shè)計(jì)、仿真檢測(cè)及檢測(cè)結(jié)果分析，實(shí)現(xiàn)WLAN頻段印刷全向天線設(shè)計(jì)，強(qiáng)化其全向性，促進(jìn)WLAN頻段印刷全向天線的應(yīng)用，并為相關(guān)研究人員提供一定的借鑒和幫助。

關(guān)鍵詞：寬頻帶天線；印刷全向天線；串饋偶極子天線

中圖分類號(hào)：TN820 文獻(xiàn)標(biāo)識(shí)碼：A 文章編號(hào)：1003-5168（2018）05-0056-02

Study on the Design of WLAN Band Printed Omnidirectional Antenna

TANG Wei

（Sichuan Jiuzhou Electric Appliance Refco Group Ltd，Mianyang Sichuan 621000）

Abstract： This paper taken printing series feed dipole antenna as the core， through the antenna design， the simulation and the analysis of the result， realized the design of WLAN full directional antenna， strengthened its omnidirectional， promoted the application of WLAN full directional antenna， and provided some reference and help for relevant researchers.

Keywords： broadband antenna；printing omnidirectional antenna；serial feed dipole antenna

現(xiàn)階段，全向天線主要應(yīng)用于移動(dòng)通信基站、廣播電視或是車載臺(tái)領(lǐng)域。在實(shí)際應(yīng)用中，印刷串饋偶極子天線容易加工，生產(chǎn)成本較低，可以和有源器件進(jìn)行連接集成，可以被大量應(yīng)用于廣播或是組件無線網(wǎng)絡(luò)通信中。但就當(dāng)前而言，以細(xì)振子臂為核心的印刷天線帶寬普遍過窄，限制了印刷天線的應(yīng)用，再加上自身幾何結(jié)構(gòu)不對(duì)稱，綜合作用低下，降低了天線全向性，達(dá)不到理想的應(yīng)用效果?；诖耍骄縒LAN頻段印刷全向天線設(shè)計(jì)具有非常重要的現(xiàn)實(shí)意義。

1 WLAN頻段印刷全向天線設(shè)計(jì)

分析當(dāng)前以細(xì)振子臂為核心的印刷天線的應(yīng)用局限性，為了提高天線的全向性，在實(shí)際設(shè)計(jì)時(shí)，以WLAN802.11、802.11b/g/n協(xié)議為適用指標(biāo)，設(shè)計(jì)2.4GHz頻段印刷全向天線，選擇平行雙線串聯(lián)饋電，以偶極子作為輻射單元，和抗阻變換器進(jìn)行阻抗匹配。在選擇寬臂偶極子時(shí)，通過降低偶極子阻抗控制頻率變化幅度，就可以有效緩解天線幾何結(jié)構(gòu)不對(duì)稱造成的不利影響。

1.1 平行雙線饋電

在設(shè)計(jì)印刷全向天線時(shí)，選擇平行雙線對(duì)印刷偶極子單元進(jìn)行饋電，使得天線特性阻抗Z0可約等于介質(zhì)厚度減半，在線寬一致的情況下，微帶線特性阻抗為Z1。微帶線和平行雙線電場(chǎng)示意圖如圖1所示。其中（b）的介質(zhì)板上下兩側(cè)設(shè)置寬度為W的兩條金屬帶，這兩條金屬帶中電流相位差距約為180°，且相反方向。在實(shí)際運(yùn)行中，平行雙線結(jié)構(gòu)是微帶線電鏡像，設(shè)計(jì)人員根據(jù)相關(guān)計(jì)算公式明確線寬，使平行雙線達(dá)到最佳饋電效果[1]。

1.2 串饋偶極子天線

一般情況下，印刷全向天線要在介質(zhì)基板上，其中介質(zhì)基板的介電常數(shù)是2.65，厚度是1mm，中心頻率是2.4GHz。在實(shí)際運(yùn)行過程中，設(shè)計(jì)人員可以借助平行雙線進(jìn)行串聯(lián)饋電，構(gòu)建二元直線陣，將輻射單元間距設(shè)計(jì)為中心頻率介質(zhì)波長(zhǎng)，使得兩個(gè)相同的輻射單元可以同向饋電，在各單元和陣軸垂直的方向上，單元輻射場(chǎng)無波程差，各單元場(chǎng)可以同相相加，達(dá)到最大值后，構(gòu)成二元邊射陣，提高天線的全向性。從微觀角度看，天線輻射單元設(shè)計(jì)呈互補(bǔ)對(duì)稱結(jié)構(gòu)，使得偶極子輻射單元分別位于介質(zhì)板的兩側(cè)，形成雙面印制，上下兩個(gè)振子臂可以借助金屬化過孔相連，形成幾何結(jié)構(gòu)對(duì)稱的印刷全向天線。

在應(yīng)用該天線的過程中，介質(zhì)板上下的振子臂以寄生結(jié)構(gòu)運(yùn)行，通過振子間不斷耦合，增加帶寬，彌補(bǔ)傳統(tǒng)印刷天線的缺陷和不足，提高天線的全向性。通過天線輻射單元中雙振子對(duì)稱結(jié)構(gòu)，可以有效提高振子臂實(shí)際寬度，減緩振子天線輸入抗阻隨頻率的變化，進(jìn)而提升抗阻帶寬。設(shè)計(jì)人員保證兩個(gè)輻射單元結(jié)構(gòu)和參數(shù)尺寸的統(tǒng)一性，根據(jù)計(jì)算得知，輻射單元振子臂總長(zhǎng)是工作頻率中自由空間波長(zhǎng)的1/2左右。但在實(shí)際天線設(shè)計(jì)中，考慮到介質(zhì)對(duì)天線的影響，振子臂長(zhǎng)要比自由空間波長(zhǎng)的1/2要小一點(diǎn)，符合天線設(shè)計(jì)要求，完成設(shè)計(jì)任務(wù)[2]。

1.3 天線增益設(shè)計(jì)

全向天線特指水平方向上可以達(dá)到360°均勻輻射，即為無方向性，在垂直方向上表現(xiàn)為有一定寬度的波束。一般情況下，波瓣寬度越小，增益越大。全向天線在移動(dòng)通信系統(tǒng)中適用于郊縣大區(qū)制的站型。在實(shí)際設(shè)計(jì)中，預(yù)設(shè)天線單元增益是12dB，半波對(duì)稱振子天線增益則為2dB。參考天線基礎(chǔ)理論，列出公式：

[Gain=Ge+Ga] （1）

其中，[Gain]代表天線單元增益，[Ge]代表對(duì)稱振子天線增益，[Ga]代表天線列陣增益。由此得出天線陣列增值設(shè)計(jì)是10dB[3]。

為了實(shí)現(xiàn)陣列要求，設(shè)計(jì)人員要結(jié)合工程實(shí)現(xiàn)情況進(jìn)行綜合考慮，以等間距均勻激勵(lì)邊射陣為主，使得N元邊射陣方向系數(shù)設(shè)計(jì)為：

[D=N2N+2m-1N-1N-mmkdsinmkd] （2）

其中，d代表陣元間距，k代表自由空間波數(shù)。由此可計(jì)算得出增益單元間距。

2 WLAN頻段印刷全向天線仿真測(cè)試

在仿真測(cè)試中，考慮實(shí)際工程中使用的同軸電纜饋線，形成部分耦合效應(yīng)，整體輸入阻抗特性與單獨(dú)工作存在差異。在理論分析的基礎(chǔ)上，要借助設(shè)計(jì)參數(shù)，使用成熟的仿真軟件來輔助設(shè)計(jì)工作，得到設(shè)計(jì)成效。

2.1 抗阻帶寬測(cè)試結(jié)果

為了測(cè)試WLAN頻段印刷全向天線的應(yīng)用效果，設(shè)計(jì)人員要對(duì)串饋偶極子天線開展仿真測(cè)試，當(dāng)天線處于2.12～2.61GHz頻帶時(shí)，電壓駐波比在2以下的帶寬是20%；當(dāng)天線處于2.19～2.56GHz頻帶間時(shí)，電壓駐波比在1.5以下，其寬帶是15%，此時(shí)阻抗帶寬為最佳水平。

2.2 天線結(jié)構(gòu)測(cè)試結(jié)果

在天線結(jié)構(gòu)測(cè)試中，當(dāng)天線處于2.4GHz的情況下，設(shè)計(jì)人員分別對(duì)互補(bǔ)對(duì)稱結(jié)構(gòu)天線和非互補(bǔ)對(duì)稱結(jié)構(gòu)天線進(jìn)行測(cè)試，對(duì)比二者H面方向檢測(cè)結(jié)果可知：非互補(bǔ)對(duì)稱結(jié)構(gòu)的天線在實(shí)際運(yùn)行中，天線H面不圓度是2.1dB，而互動(dòng)對(duì)稱結(jié)構(gòu)的天線H面不圓度是1.3dB，減少了0.8dB，應(yīng)用效果最佳。

2.3 全向特性測(cè)試結(jié)果

明確天線最佳的電壓駐波比、天線結(jié)構(gòu)后，設(shè)計(jì)人員要從頻帶范圍入手，對(duì)天線在2.3GHz、2.4GHz、2.5GHz頻帶工作時(shí)開展天線全向特性測(cè)試，結(jié)果顯示：設(shè)計(jì)頻段中天線水平面不圓度持續(xù)較低，證明本文所設(shè)計(jì)的天線具備極強(qiáng)的全向特性，滿足應(yīng)用標(biāo)準(zhǔn)。

3 WLAN頻段印刷全向天線實(shí)物檢測(cè)

為了明確WLAN頻段印刷全向天線設(shè)計(jì)成效，在仿真檢測(cè)的基礎(chǔ)上，設(shè)計(jì)人員要開展實(shí)物檢測(cè)工作，將設(shè)計(jì)好的天線加工成實(shí)物，右側(cè)設(shè)計(jì)成天線正面，而左側(cè)則是天線面，輸入端SMA接頭內(nèi)導(dǎo)體連接天線正面輸入端，同時(shí)內(nèi)導(dǎo)體連接天線背面。對(duì)測(cè)得的天線電壓駐波比進(jìn)行研究可知，2.1～2.7GHz頻段內(nèi)，天線電壓駐波比在2以下，其帶寬為26%，實(shí)物檢測(cè)結(jié)果優(yōu)于仿真測(cè)試結(jié)果[4]。

4 結(jié)語(yǔ)

本文通過分析WLAN頻段印刷全向天線設(shè)計(jì)，選擇平行雙線進(jìn)行輻射單元串聯(lián)饋電，構(gòu)建二元邊射陣，提高天線的全向性。與此同時(shí)，選擇互補(bǔ)對(duì)稱天線結(jié)構(gòu)，使偶極子輻射單元分別位于介質(zhì)板的兩側(cè)，連接兩側(cè)振子臂，增加帶寬實(shí)際寬度，彌補(bǔ)傳統(tǒng)印刷天線的缺陷和不足，提高天線的全向性。對(duì)設(shè)計(jì)完成的天線進(jìn)行仿真測(cè)試，從抗阻帶寬測(cè)試、天線結(jié)構(gòu)測(cè)試、全向特性測(cè)試等方面入手，并根據(jù)設(shè)計(jì)制作實(shí)物，開展實(shí)物檢測(cè)，結(jié)果顯示：低于2的電壓駐波比，其帶寬是26%，阻抗帶寬最佳，優(yōu)于仿真測(cè)試結(jié)果，說明本文設(shè)計(jì)的天線具備極強(qiáng)的全向性，實(shí)現(xiàn)WLAN頻段印刷全向天線設(shè)計(jì)的最終目標(biāo)。

參考文獻(xiàn)：

[1]商鋒，隋志軼.WLAN頻段印刷全向天線設(shè)計(jì)[J].西安郵電大學(xué)學(xué)報(bào)，2017（5）：11-14.

[2]黃睿哲.多頻段平面印刷天線的研究與設(shè)計(jì)[D].西安：西安電子科技大學(xué)，2016.

[3]任學(xué)施.平面印刷天線分析與設(shè)計(jì)[D].西安：西安電子科技大學(xué)，2016.

[4]陳藝萱.雙頻水平極化全向印刷天線的研究[D].南京：南京理工大學(xué)，2018.