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

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。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，偶極子的兩個臂上有對稱的開槽，使得天線可以在3個頻段上工作。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到減小天線諧振臂的長度。對于WLAN的兩個頻段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，該天線是一個可覆蓋WLAN的高低兩個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個槽，再沿x軸開1個槽來滿足WIAN雙頻的要求，由于這兩個諧振臂距離較近，諧振頻率對這兩個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天線系統(tǒng)的匹配，而且饋電線對天線進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，在低頻段的一點不一致應(yīng)該是由于仿真軟件的數(shù)值計算誤差引起的。

當(dāng)天線工作2．4 GHz頻段時，輻射有長的諧振臂產(chǎn)生，此時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，輻射由短的諧振臂產(chǎn)生，此時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。

該天線的方向圖如圖4所示，可以看出在f0=2．45 GHz時它的輻射方向圖非常理想，基本達到了全向輻射，這個結(jié)果比預(yù)期要好，其次在f0=5．775 GHz時，其輻射方向圖很接近理想的輻射方向圖，也基本達到了全向輻射。與設(shè)計天線時的預(yù)期結(jié)果相比較，得到的這個結(jié)果符合要求。另外這個天線的尺寸比較小40mm×50mm，帶寬比較寬（2．4GHz時2．15～2．8GHz約26.26％，5.8GHz時5．19～6．06 GHz約15.47％），可以滿足WLAN系統(tǒng)的要求。

3 結(jié)束語

文中設(shè)計了應(yīng)用于WLAN系統(tǒng)的雙頻印刷偶極子天線，在帶寬和方向圖上都有很好的優(yōu)勢，與文獻中的天線相比，本文所介紹的天線實現(xiàn)了雙頻工作，與文獻中的天線相比較，本文所介紹的天線不僅在帶寬上比它寬，而且在尺寸上也小很多。所以這個天線以其尺寸小、結(jié)構(gòu)簡單、性能好、造價低、便于集成的優(yōu)勢，可以滿足WLAN的通信要求。