应用于手机中的小型化WLAN双频天线设计

王落芬，林文斌，杨广立

(1.西南交通大学电磁场与微波技术研究所，成都 610031;2.美国摩托罗拉公司，纽约 11742)

0 引言

随着无线通信技术的发展，人们对通信的要求也越来越高。无线局域网技术已经有十几年的历史了，但是在最近几年才得到了很大的发展。这种技术是利用计算机网络与无线通信网络互相交换数据的一种方式，是对有线网络的一种补充。与有线网络相比，无线通信技术无论在何时、何地、何人都能进行任何种类的消息沟通。无线局域网的发展十分迅速，关于这方面的研究也是越来越多［1～8］。近年来，已经相继推出了无线局域网IEEE 802.11a标准(5.150 GHz～5.350 GHz，5.725 GHz～5.875 GHz)和 IEEE 802.11b/g标准(2.4 GHz～2.484 GHz)。

近几年来，智能机已成为当下手机的主流，WLAN也是其特色之一。利用WLAN上网与传统GPRS上网相比速度快，已成为时下热点。由于手机中空间是有限的，传统的倒L-L型天线占据面积比较大;因此如何在有限的空间中设计出满足要求的WLAN天线已成为大势所趋。

根据传统的倒L-L型天线模型［8～10］，将其末端折叠。该结构紧凑，可以明显减小天线的体积，很适合应用于结构紧凑的手机中。此外利用共面波导馈电方式以增加高频处的带宽，实现了一款WLAN天线的设计。该手机天线尺寸小，带宽宽。

1 天线设计

根据传统的倒L-L型天线的基本结构及工作原理提出了一款新型的适用于手机中的WLAN天线，其整体结构如图1(a)所示。基板为图中阴影部分，材料为常用的聚四氟乙烯(FR4:介电常数为4.4，损耗角正切值为0.02)。基板厚度为1.2 mm，整体大小为60 mm×120 mm。该天线馈电时利用了共面波导馈电技术，因此为满足天线结构特性阻抗为50 Ω的要求，馈电线与接地板间的间隔为0.8 mm，馈电线的宽度为2 mm。天线整体大小为10 mm×35 mm，倒L-L结构的线宽均为1.5 mm。天线结构的具体尺寸在图1(b)中有详细标注。

图1 天线结构示意图

由双频微带天线工作原理可知，如果要使天线能工作在两个频段，则需要在其上激励起两条谐振长度相应于工作频段波长的面电流。而倒L型左枝比较长，则可在低频的四分之一波长附近产生谐振，右枝比较短，和共面波导部分共同对高频处产生了影响。

2 结果与讨论

利用全波仿真软件对该结构进行仿真，扫频范围设置为2 GHz～6 GHz，采用共面波导馈电技术。天线的回波损耗与频率的关系，如图2所示。为验证该天线的实用性，对天线进行了实物加工，并利用安捷伦矢量网络分析仪进行了测试，从图2中可见，实测和仿真值均能完全覆盖WLAN的IEEE 802.11a和IEEE 802.11b/g标准。从图2中可以看出仿真和实测值存在差异，主要是由SMA接头接触不良及实验室中测量仪器及环境的影响带来的误差，另外基于数值方法的仿真的限制与实测情况必然也是存在差别的。

图2 天线回波损耗的实测值与仿真值对比

为了验证共面波导馈电对天线带宽的影响，利用共面波导馈电技术和直接馈电时回波损耗的结果对比图，如图3所示。从图中可以看出，利用共面波导馈电可以明显增加高频处的带宽。

图3 两种馈电方式的结果对比图

在2.45 GHz、5.2 GHz和 5.8 GHz时的天线电流分布图，如图4所示。由于L-L结构的电长度要长，因此可以产生低频处的谐振，图中4(a)中的电流分布主要集中在倒L-L结构上即说明了这点;5.2 GHz和5.8 GHz时，电流分布则主要集中于馈电部分，因为高频处谐振的电长度要小。上述现象也很好的解释了图3的结果。

图4 三个频率下的电流分布图

该天线在 2.45 GHz、5.2 GHz和5.8 GHz 时天线的辐射方向图，如图5所示。由图中可见，天线在低频处天线的方向图与传统的单极子的类似，高频处方向图发生一些畸变，但是基本呈现全向性。天线的方向图整体性能良好。

图5 三种频率下的辐射方向图

天线在 2.45 GHz、5.2 GHz和 5.8 GHz时增益的三维方向图，如图6所示。在2.45 GHz时增益可达 4.77 dBi，5.2 GHz时为 4.56 dBi，而 5.8 GHz 时则达到了 4.61 dBi。

图6 三种频率下的天线三维增益辐射方向图

天线的仿真总效率和辐射效率，如图7所示。从图中可见，该天线在低频处的总效率大于79%，辐射效率大于90%，而高频处(＞4.77 GHz)的总效率大于77.5%，辐射效率大于83%。由于实验条件的限制，上述效率为仿真值，在实际环境中由于其他环境因素等的影响实际效率会比仿真值稍低。

图7 天线的仿真总效率和辐射效率

通过观察仿真结果以及上述分析可知，该天线的带宽完全可以满足WLAN的国际标准，并且在所需频段内具有良好的全向性。结构尺寸小，适合应用于手机中。

3 结语

通过对传统倒L-L型天线进行折叠改造，并利用共面波导馈电技术设计了一款应用于手机中的小型WLAN天线并进行了实物加工。该天线结构尺寸小、覆盖频带宽(IEEE 802.11a 和 IEEE 802.11b/g 标准)、方向图性能良好并且效率高，在现代手机天线系统的设计中有潜在的应用价值。

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