無(wú)線局域網(wǎng)的雙頻帶印刷偶極子天線設(shè)計(jì)

隨著人們對(duì)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(kāi)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(duì)稱的開(kāi)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(duì)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(jiǎn)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(lái)耦合饋電40 nnn×50 mm的尺寸，結(jié)構(gòu)非常簡(jiǎn)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(zhǎng)度約為諧振波長(zhǎng)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(duì)于偶極子就需要有兩對(duì)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(zhǎng)度變長(zhǎng)的方式達(dá)到減小天線諧振臂的長(zhǎng)度。對(duì)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(duì)應(yīng)于低頻段f0=2．4GHz的諧振電流長(zhǎng)度約為31mm，而對(duì)應(yīng)于高頻段f0=5．8 GHz的諧振電流長(zhǎng)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(kāi)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(duì)開(kāi)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(duì)介電常數(shù)εr=4．4的FR4介質(zhì)板。

將天線臂沿y軸開(kāi)1個(gè)槽，再沿x軸開(kāi)1個(gè)槽來(lái)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(duì)這兩個(gè)槽的寬度變化非常敏感，通過(guò)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(duì)天線進(jìn)行耦合饋電的位置對(duì)謝振頻率和系統(tǒng)匹配也有影響，用商業(yè)軟件Ansofi HFSS對(duì)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(cè)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(cè)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(cè)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(cè)量結(jié)果的對(duì)比來(lái)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(zhǎng)的諧振臂產(chǎn)生，此時(shí)沿長(zhǎng)臂的電流長(zhǎng)度約30 mm，非常接近該頻段工作波長(zhǎng)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(zhǎng)度約為14 mm，也非常接近該頻段的工作波長(zhǎng)的1／4。仿真的結(jié)果符合開(kāi)槽前的理論預(yù)期，所以對(duì)偶極子臂按文中的方式開(kāi)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(shí)它的輻射方向圖非常理想，基本達(dá)到了全向輻射，這個(gè)結(jié)果比預(yù)期要好，其次在f0=5．775 GHz時(shí)，其輻射方向圖很接近理想的輻射方向圖，也基本達(dá)到了全向輻射。與設(shè)計(jì)天線時(shí)的預(yù)期結(jié)果相比較，得到的這個(gè)結(jié)果符合要求。另外這個(gè)天線的尺寸比較小40mm×50mm，帶寬比較寬(2．4GHz時(shí)2．15～2．8GHz約26.26％，5.8GHz時(shí)5．19～6．06 GHz約15.47％)，可以滿足WLAN系統(tǒng)的要求。

3 結(jié)束語(yǔ)
文中設(shè)計(jì)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(shì)，與文獻(xiàn)中的天線相比，本文所介紹的天線實(shí)現(xiàn)了雙頻工作，與文獻(xiàn)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(gè)天線以其尺寸小、結(jié)構(gòu)簡(jiǎn)單、性能好、造價(jià)低、便于集成的優(yōu)勢(shì)，可以滿足WLAN的通信要求。