一種寬頻帶天線方案 - 全文

　　引言

　　近年來，隨著IEEE 802.11a(5.15～5.35GHz，5.725～5.825GHz)和IEEE 802.11b/g(2.4～2.483 5GHz)標(biāo)準(zhǔn)的提出，WLAN得到了迅猛發(fā)展.與此同時(shí)對(duì)WLAN天線的要求也越來越高，要求其體積小、重量輕、生產(chǎn)加工便捷、天線成本低廉，同時(shí)在功能上要求使用頻寬較寬以及有雙頻性能以同時(shí)達(dá)到IEEE 802.11a/b/g標(biāo)準(zhǔn)要求。所以，近年來對(duì)小型化的多頻段WLAN天線的研究大量涌現(xiàn)。

　　在平面單極子天線中，有一種倒L形平面單極子天線，國際上已經(jīng)對(duì)此進(jìn)行了研究，在理論模擬仿真上，可以同時(shí)滿足IEEE802.11a/b/g標(biāo)準(zhǔn)要求，其設(shè)計(jì)形式更簡單，在滿足帶寬的要求上，體積還可進(jìn)一步的縮小。所以，本文將在原來的微帶饋電的倒L平面單極子天線的基礎(chǔ)上，改變其饋電的形式，研制出一種共面波導(dǎo)饋電的倒L-U平面單極子天線。仿真和實(shí)測(cè)表明該天線在WLAN的三個(gè)頻帶范圍內(nèi)均具有很好的阻抗匹配和輻射特性。

　　1 倒L-U平面單極子天線的設(shè)計(jì)

　　1.1 天線分析與設(shè)計(jì)

　　WLAN天線形式有很多種，比如微帶天線，八木天線、平面單極子天線等等。選擇平面單極子天線的原因是，相對(duì)于微帶天線，其帶寬大;相對(duì)于八木天線，其體積小且容易共形。平面單極子天線與微帶天線的結(jié)構(gòu)不同在于：在金屬輻射貼片對(duì)應(yīng)的介質(zhì)襯底另一側(cè)的金屬地板被去除，也就是采用了部分地板結(jié)構(gòu)。微帶天線的帶寬低，因?yàn)槠銺值大，即在輻射板與地板之間儲(chǔ)存了大量的能量。平面單極子天線的輻射板的對(duì)應(yīng)地板去除了，加大了輻射電阻，輻射出去的能量也大大的增加，Q值變小，帶寬增大。選擇共面波導(dǎo)饋電的形式，將地板與輻射板共面，使得帶寬又增大了，而且結(jié)構(gòu)更緊湊。但是由于天線與共面波導(dǎo)之間缺少有效的隔離，造成天線性能受共面波導(dǎo)尺寸的影響較嚴(yán)重。

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　　本文所設(shè)計(jì)的平面波導(dǎo)饋電(CPW-feed)的單極子倒L-L形天線如圖1所示，由于Length1的長邊過于長，使整個(gè)板子的面積較大，本文通過曲流技術(shù)中的折疊技術(shù)，將Length1的長邊又進(jìn)行了橫向折疊，如圖2所示，即共面波導(dǎo)饋電(CPW-feed)的平面單極子倒L-U形天線。折疊后的尺寸較之原先有了較大的縮減。

　　1.2 天線仿真結(jié)果分析

　　應(yīng)用Ansoft HFSS仿真軟件，對(duì)圖2所示的天線進(jìn)行仿真。根據(jù)文獻(xiàn)的設(shè)計(jì)經(jīng)驗(yàn)，饋線寬度選擇為3mm，介質(zhì)板采用了最為常用的FR-4，其相對(duì)介電常數(shù)為4.4，厚度為1.6mm。另外應(yīng)用軟件ApPCAD2.0，計(jì)算出共面波導(dǎo)饋電結(jié)構(gòu)的特性阻抗為50Ω時(shí)，饋線與地板之間的縫隙寬度約為0.6mm。

　　天線電流傳輸方向的長度可以通過公式估算，本文所設(shè)計(jì)的天線需滿足覆蓋兩個(gè)頻段的要求，其中一個(gè)頻段覆蓋2.4GHz，另一個(gè)頻段覆蓋5.2GHz和5.8GHz。因此本文選擇兩個(gè)中心諧振點(diǎn)頻率分別為2.45GHz和5.25GHz。根據(jù)計(jì)算可知對(duì)應(yīng)于2.45GHz的Length1= 29.15mm，對(duì)應(yīng)于5.25GHz的Length2=13.61mm。由圖2可知，Length1=W2+L2+L5/2應(yīng)約等于29.15mm，Length2=L4+L5/2需略大于13.61mm。為了使整體結(jié)構(gòu)緊湊、小型化、寬帶化，本文將對(duì)天線結(jié)構(gòu)中的個(gè)別參數(shù)對(duì)天線性能的影響做仿真分析并加以比較。

　　本文通過分析地板寬度W7、輻射貼片處的橫條寬度W3、輻射貼片與地板之間的縫隙W4、U形片的W2長度以及L形片的L4長度等幾個(gè)參數(shù)的變化對(duì)天線S11頻率特性的影響，經(jīng)過一系列的優(yōu)化對(duì)比，得出以下數(shù)據(jù)，如表1所示。優(yōu)化后仿真所得的天線的仿真性能參數(shù)S11，VSWR以及遠(yuǎn)區(qū)場的方向圖如圖3～圖7所示。

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　　由上述可知，該共面波導(dǎo)饋電的平面單極子倒L-U天線具有高阻抗帶寬、小型化的顯著特點(diǎn)，其在-10dB處的阻抗帶寬有兩段，分別為2.36～2.58GHz和3.62～5.96GHz，前一段的相對(duì)帶寬為8.9%，后一段的相對(duì)帶寬為48.9%，覆蓋了WLAN的工作頻帶。

　　2 天線的制作與測(cè)試結(jié)果

　　天線實(shí)物如圖8所示。

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　　參數(shù)S11仿真與實(shí)測(cè)結(jié)果對(duì)比圖，如圖9所示，可以看出，實(shí)測(cè)結(jié)果與仿真結(jié)果對(duì)比在高頻段有較大的偏差，低頻段較為吻合。

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　　3 誤差分析

　　由實(shí)驗(yàn)測(cè)試結(jié)果可以看出，實(shí)際制作的WLAN寬頻帶天線的回波損耗與HFSS仿真軟件的模擬結(jié)果存在一定誤差。以下從五個(gè)方面分析造成誤差的原因。

　　(1)對(duì)于介電常數(shù)而言，高介電常數(shù)基板的關(guān)鍵參數(shù)是εr，因此準(zhǔn)確的測(cè)定εr，是非常必要的;制作時(shí)所選用的基板的介電常數(shù)較低，影響其諧振頻率的關(guān)鍵性參量是天線輻射貼片Length1和Length2的長度誤差△L。而用共面波導(dǎo)饋電的方式(CPW-feed)，地板大小的誤差也是影響諧振點(diǎn)和帶寬的關(guān)鍵參量。在使用HFSS仿真時(shí)發(fā)現(xiàn)，天線貼片幾何尺寸的微小變化引起了仿真結(jié)果比較大的變化。所以，制作天線過程中貼片的微小誤差，對(duì)結(jié)果會(huì)產(chǎn)生較為嚴(yán)重的影響。

　　(2)SMA接頭處焊接不良、接口處有能量損耗等因素也是帶來誤差的原因。在測(cè)過多個(gè)焊接好SMA接頭的天線時(shí)發(fā)現(xiàn)，測(cè)得的結(jié)果總會(huì)有一定的不同。

　　(3)阻抗不匹配。由于共面波導(dǎo)饋電端口的特性阻抗受介電常數(shù)和貼片厚度影響，仿真時(shí)，貼片厚度是0.1mm，計(jì)算得到的特性阻抗為50.2Ω，而實(shí)際貼片厚為0.035mm，計(jì)算得到的特性阻抗為56.1Ω，與SMA接口50Ω不完全匹配。

　　(4)從軟件的角度來分析，基于數(shù)值分析方法的HFSS軟件本身只能提供數(shù)值解，且受設(shè)定的運(yùn)算精度的限制，仿真結(jié)果與實(shí)際情況間必然存在誤差，這種誤差是不可避免的。

　　(5)實(shí)驗(yàn)室測(cè)量方法、儀器、環(huán)境也是帶來誤差的原因。在測(cè)天線時(shí)發(fā)現(xiàn)，當(dāng)天線放在不同的位置，測(cè)得的數(shù)據(jù)不一樣;當(dāng)用兩個(gè)不同的分析儀測(cè)量時(shí)，結(jié)果也不一樣;在微波暗室中，墻壁吸波不完全，同時(shí)也不能完全隔絕外界雜波。

　　4 結(jié)語

　　本文根據(jù)常見的倒L平面單極子天線進(jìn)行改進(jìn)，設(shè)計(jì)了一款共面波導(dǎo)饋電(CPW-feed)的平面單極子倒L-U形天線。并通過仿真設(shè)計(jì)其總體尺寸為22mm×35mm，達(dá)到小型化的目的。根據(jù)仿真，天線-10dB阻抗帶寬為2.36～2.58GHz，相對(duì)帶寬為8.9%和3.62～5.96GHz，相對(duì)帶寬為48.9%，滿足了WLAN的頻段要求。