无线局域网应用的接地平面单极天线的设计

杨慧春 高攸纲 平子良 程 韧

（1.北京邮电大学世纪学院，北京 102613；2.北京邮电大学电子工程学院，北京 100876）

引 言

无线局域网（WLAN）是无线通信与计算机网络相结合的技术，是一种可实现的高效数据无线传输的解决方式，实现用户的可移动性。随着IEEE802.11a（5.15～5.35GHz，5.725～5.825 GHz）和IEEE802.11b／g（2.4～2.48GHz）标准的提出，无线局域网通信技术得到了迅猛的发展。与此同时，对WLAN天线的需求也逐步增多，无论是手机，个人电脑的无线网卡还是各种各样的远程感应设备，都需要体积小、重量轻、多频段、宽频带的天线［1-2］，同时，为了适应各种复杂的环境，还要求天线具备良好的全向性能。

近年来平面单极天线以其重量轻、全向特性好、成本低廉、加工方便等优点得到了广泛的应用。矩形平面单极天线是一种性能良好的全向天线，具有几何形状简单、阻抗带宽大、辐射方向图在阻抗带宽内变化不大的特点。但是，传统的平面单极天线高度为λ／4，频率较低时，天线太高，不利于集成。

提出了一种新型短路带切角的开槽平面单极天线，其顶端变形为水平矩形加载，这将大幅度降低天线高度，并且进一步扩展阻抗带宽，使之在设计要求的2.4～2.484GHz频带内满足电压驻疲比（VSWR）＜2；同时应用垂直辐射贴片表面开槽技术，确保天线能够工作在5.15～5.35／5.725～5.825GHz频段。

该带切角的短路开槽平面单极天线完全覆盖了WLAN 2.4／5.2／5.8GHz的工作频段，H 面全向性很好，并具有易加工和低成本的优点。

1 单极天线的理论分析

所谓天线的有效高度，是指把原来不均匀分布的电流振幅，依波腹电流来均匀分布时应有的高度。一段实际高度为h的垂直天线（沿z轴放置），天线上电流振幅依正弦函数分布，沿线电流振幅的分布为

式中:I0为波腹电流；β=2π／λ为相移常数。

根据有效高度he的定义

故有效高度

对于h=λ／4的单极天线，其有效高度

为了增大有效高度就必须使电流均匀分布。通常要在垂直振子顶部加上水平的导线网。它们加大了振子终端的电容，使原来的终端电流波节移至导线网的末端，使垂直振子上的电流分布更加均匀，这种方法称为天线的加载。顶部加载好比把天线应加长的部分折转，使电流波节移至水平部分的末端，见图1所示。

图1 加载天线的电流

对于线天线加载的电阻应满足规律［3-6］为

式中:h为天线高度；z为以馈电点为原点的天线上任一点的坐标；φ是比例因子，

其中，a是天线半径。

单极振子天线已通过展宽阻抗带宽发展到了平面单极天线，如矩形平面单极天线、圆盘单极天线、梯形单极天线、倒锥单极天线。为了继续扩展频带，对平面单极天线又提出了多种方法，如偏置馈电、短路和切角技术等［7-10］。

由于现代通信系统的小型化、集成化的特点，多频天线得到了大量的研究。实现天线多频的方法主要有多贴片法、短路法和表面开槽法等［11-13］。多贴片法是在天线的上面或四周增加一个或多个寄生贴片，由寄生贴片产生新的一个或多个谐振，从而达到双频或多频的特性。短路法指在天线贴片和接地板之间添加一些短路结构，如短路针、短路片等，改变天线基模或高次模的谐振频率，选择合适的位置加载可以实现多频特性。表面开槽法是将天线的表面金属挖去一部分，改变天线的表面电流分布，即引入新的一个谐振，从而实现天线的多频工作特性，槽的形状有U形，L形等。

2 天线设计与仿真

为了降低天线的高度，易于集成，该文的平面单极天线将顶部折返成两个对称的矩形单元，还应用了开槽技术来拓展频带，即在垂直辐射面上开L形槽，天线的频率特性主要取决于天线的尺寸和L形开槽的位置。

改进的平面单极天线，天线总尺寸为17.0mm×26.0mm×16.0mm，单个矩形寄生单元的尺寸为8.5mm×10.0mm.

垂直辐射单元上的L形缝隙设计如下，水平缝隙:在顶部加载单元下方1.0mm处的位置，缝宽1.0mm，缝长8.6mm；垂直缝隙:缝宽2.0mm，缝高6.5mm，见图2所示。

天线放置在60mm×80mm的地面上，使用50 Ω同轴线单点偏置馈电，并采用位于天线另一侧的梯形平面短路片来实现接地，短路片及馈电处的尺寸如图3所示。

天线采用了斜切角和开槽的设计，使得天线上电流分为不同路径，不同长度的路径对应不同的工作频带，从而实现天线的多频特性。图4所示为天线的电流路径。

其中路径1是从短路处到水平加载的矩形单元开路处，包括如下三段:天线高度16mm、水平加载矩形的长度8.5mm、斜切角的一段约7mm.路径2是从馈电处到水平加载的矩形单元开路处，同样也包括如下类似的三段:天线高度、水平加载矩形的长度、斜切角的一段。路径3为馈电处到水平缝隙，天线的总高度16mm，所以水平开槽设计在顶部加载1mm的下方位置，开槽宽度也设置成1mm，见图2所示。路径1、路径2的总长度各约31.5mm，天线谐振在2.4GHz频段；路径3长度14mm，天线谐振在5.5GHz频段。

3 实验结果分析

图5为制作的天线实物，由厚度为0.2mm的铜皮制作完成，使用50Ω的半钢同轴电缆馈电。

为了验证天线设计方法的有效性，基于图2给出的尺寸，制作了天线，使用安捷伦5230网络分析仪对天线的输入特性进行了测试，天线仿真和实测的回波损耗如图6所示。

图6可以看出，仿真和实测的结果基本吻合。实测在2.3～2.52GHz／4.96～6.07GHz通带内回波损耗均在-10dB以下，天线的带宽较宽，可以满足 WLAN 2.4～2.484／5.15～5.35／5.725～5.825 GHz的覆盖要求。

图7所示为此开槽短路平面单极天线H面的辐射方向图，（a）图中心频率为2.4GHz，（b）图中心频率为5.5GHz，可以看出该天线具有很好的全向性。在2.4GHz、5.5GHz两个频段天线的增益均约为2dB.天线方向图的测量结果与仿真结果吻合较好，两者存在的偏差主要是由同轴接头的焊接、天线尺寸的加工误差以及测量条件等因素造成的，这些偏差是可以接受的。

4 结 论

在传统的平面单极天线基础上，提出了一种新型带切角短路开槽平面单极天线，采用水平寄生单元降低天线高度，并在天线的垂直辐射分枝上开槽来扩展频带，结果验证这种新型的结构可以满足WLAN 2.4～2.484／5.15～5.35／5.725～5.825 GHz多频带覆盖的要求，并且具有很好的全向性，该天线具有结构简单、成本低等优点。

［1］KO S C K，MURCH R D.Compact integrated diversity antenna for wireless communications［J］.IEEE Transactions on Antennas and Propagation，2001，49（6）:954-960.

［2］HSIAO H M，WU J W，WANG Y D.Novel dualbroadband rectangular-slot antenna for 2.4／5GHz wireless communication［J］.Microwave and Optical Technology Letters，2005，46（3）:197-200.

［3］褚庆昕，叶亮华.用于 WLAN／WiMAX的双频紧凑型天线［J］.电波科学学报，2010，25（5）:893-898.CHU Qingxin，YE Lianghua.Compact dual-band antenna for WLAN／WiMAX applications［J］.Chinese Journal of Radio Science，2010，25（5）:893-898.（in Chinese）

［4］王一平，郭宏福.电磁波-传输辐射传播［M］.西安:西安电子科技大学出版社，2006:37-39

［5］AMMANN M J，CHEN Z N.A wide-band shorted planar monopole with bevel［J］.IEEE Transactions on Antennas and Propagation，2004，51（4）:901-903.

［6］BAIK J W，KIM Y S.Printed inset sleeve monopole antennas for dual-band applications［J］.Microwave and Optical Technology Letters，2008，50（8）:1995-1997.

［7］戚冬生，黎滨洪，刘海涛，等.缝隙加载H形双频天线［J］.电波科学学报，2004，19（1）:171-175 QI Dongsheng，LI Binhong，LIU Haitao，et al.Slotloaded H-shaped dual-frequency antenna［J］.Chinese Journal of Radio Science，2004，19（1）:171-175.（in Chinese）

［8］SKNGH D，KALIALAKIS C，GARDNER P.Small H-shaped antennas for MMIC applications［J］.IEEE Transactions on Antennas and Propagation，2000，48（7）:1134-1141.

［9］CHEN Z N.Broadband monopole antenna with parasitic planar element［J］.Microw Opt Technol Lett，2000，27（3）:209-210.

［10］施胜杰，郭辉萍.一种新型超宽带平面单极天线的设计［J］.通信技术，2009，42（1）:112-114.SHI Shengjie，GUO Huiping.Design of novel ultrawideband planar monopole antenna［J］.Communications Technology，2009，42（1）:112-114.（in Chinese）

［11］AGRAWALL P A，KUMAR G，RAY K.Wideband planar monopole antennas［J］.IEEE Transactions on Antennas and Propagation，1998，46，294-295.

［12］吕文俊，程 勇，程崇虎.一种新型多频缝隙微带天线的设计［J］.电波科学学报，2006，21（2）:265-269.LV Wenjun，CHENG Yong，CHENG Chonghu.Design of a novel multi-frequency microstrip slot an-tenna［J］.Chinese Journal of Radio Science，2006，21（2）:265-269.（in Chinese）