基于WLAN系統(tǒng)的雙頻印刷偶極子天線介紹與設(shè)計(jì)

隨著人們對通信質(zhì)量和通信設(shè)備的集成要求不斷增強(qiáng)。作為通信設(shè)備子部件，天線也需要更高的性能以滿足通信系統(tǒng)的需要。截止目前，已有多種形式的天線被研發(fā)和應(yīng)用。Yi-Chieh Lee等人提出了一種開環(huán)形槽的貼片天線，它可以工作在2．4 GHz和5．2GHz兩個(gè)頻段。 Johanna M Steyn，Johan Joubert和Johann W Odendaal展示了一種工作在2．4 GHz和5．2 GHz頻段的DBDP（Dual-Band Dual-Polarized）天線陣。Zhang Q Y，Chu Q X，Wang Y提出了一種帶有集成巴倫的貼片天線，覆蓋了WLAN系統(tǒng)中的3個(gè)頻段。Li X，Yang L，Gong S X，Yang Y J提出了一種偶極子天線，偶極子的兩個(gè)臂上有對稱的開槽，使得天線可以在3個(gè)頻段上工作。另外還有一些其他形式的天線，比如對數(shù)天線，準(zhǔn)八木天線等各種形式的天線。而這些天線或因尺寸太大，不便集成和共形，或因結(jié)構(gòu)復(fù)雜不便制作。而采用耦合饋電的印刷偶極子天線是一種結(jié)構(gòu)非常簡單，而且易共形天線，適用于通信終端。

本文介紹了一種可用于WLAN的印刷偶極子天線，采用巴倫來耦合饋電40 nnn×50 mm的尺寸，結(jié)構(gòu)非常簡單，覆蓋了WLAN的兩個(gè)頻段（2.4 GHz和5．8 GHz），適用于WLAN系統(tǒng)。

1 天線結(jié)構(gòu)

由偶極子的工作原理可知，其諧振臂的長度約為諧振波長的1／4。為了能夠雙頻工作，必須要有能激起兩個(gè)諧振的面電流，對于偶極子就需要有兩對諧振臂。為了縮小天線的尺寸，一般采取彎曲諧振臂使電流長度變長的方式達(dá)到減小天線諧振臂的長度。對于WLAN的兩個(gè)頻段2 400～2484 MHz和5 725～5 825MHz。由偶極子的工作原理可知，對應(yīng)于低頻段f0=2．4GHz的諧振電流長度約為31mm，而對應(yīng)于高頻段f0=5．8 GHz的諧振電流長度約為13 mm。此外，饋電方式直接影響著天線是否適合集成或共形，采用合理的饋電方式不僅可以縮小天線的尺寸，還可以使天線較容易集成和共形，在整個(gè)通信系統(tǒng)中占用更小的空間。李峰，張福順，焦永昌提出的印刷偶極子采用了集成的巴倫，使天線適合集成和共形。根據(jù)以上的設(shè)計(jì)理論，本文所研究介紹的天線饋電是采用從天線背面耦合饋電的集成巴倫，同時(shí)在天線的諧振臂上開槽使得天線可以雙頻工作，該天線是一個(gè)可覆蓋WLAN的高低兩個(gè)頻段的小型雙頻印刷偶極子。

小型雙頻印刷偶極子天線的結(jié)構(gòu)如圖1所示。整個(gè)系統(tǒng)有一對開槽的偶極子，巴倫饋電和介質(zhì)板組成。該介質(zhì)板是厚度h=1．0 mm，相對介電常數(shù)εr=4．4的FR4介質(zhì)板。

將天線臂沿y軸開1個(gè)槽，再沿x軸開1個(gè)槽來滿足WIAN雙頻的要求，由于這兩個(gè)諧振臂距離較近，諧振頻率對這兩個(gè)槽的寬度變化非常敏感，通過不斷地仿真優(yōu)化，確定它們的寬度分別為3 mm和2mm。饋電微帶線的寬度影響著整個(gè)天線系統(tǒng)的匹配，而且饋電線對天線進(jìn)行耦合饋電的位置對謝振頻率和系統(tǒng)匹配也有影響，用商業(yè)軟件Ansofi HFSS對天線進(jìn)行建模、仿真、優(yōu)化之后，得到天線的尺寸（單位：mm）為 L=50，L1=44，L2=21，L3=6，L11=9，L12=16，L13=21，L14=13，W=40，W1=2，W2=20，W3=9，W4=4，W5=4，W6=3，W11=1，W12=1．5，W13=1．5，W14=2．5。加工后的天線正反面結(jié)構(gòu)圖，如圖2所示。

2 仿真結(jié)果

天線的駐波比仿真和測量結(jié)果如圖3（a）所示。駐波比VSWR≤2的阻抗帶寬在2.4GHz頻段測量結(jié)果約為 650MHz（2．15～2．8GHz約26.26％）比仿真結(jié)果580 MHz（2．15～2．73 GHz約23．77％）的帶寬，5．8 GHz頻段的測量結(jié)果約為870 MHz（5．19～6．06 GHz約15．47％）與帶寬為850 MHz（5．2～6．05 GHz約15．1l％）仿真結(jié)果相近，覆蓋了IEEE802．1l b／g（2．4～2．484 GHz）和IEEE802．11a（5．725～5．825 GHz）所要求的頻段，從仿真結(jié)果和測量結(jié)果的對比來看，總體上還是比較符合的，在低頻段的一點(diǎn)不一致應(yīng)該是由于仿真軟件的數(shù)值計(jì)算誤差引起的。

當(dāng)天線工作2．4 GHz頻段時(shí)，輻射有長的諧振臂產(chǎn)生，此時(shí)沿長臂的電流長度約30 mm，非常接近該頻段工作波長的1／4。而當(dāng)天線工作于5．8 GHz頻段時(shí)，輻射由短的諧振臂產(chǎn)生，此時(shí)沿短臂的電流長度約為14 mm，也非常接近該頻段的工作波長的1／4。仿真的結(jié)果符合開槽前的理論預(yù)期，所以對偶極子臂按文中的方式開槽可以使天線雙頻工作，滿足WLAN的頻帶要求。