应用于WLAN的小型化双频微带天线设计

中国电子科技集团公司第五十四研究所 邹火儿 韩国栋

1.引言

无线局域网(Wireless Local Area Network，WLAN)作为有线联网方式的扩展，是无线通信技术和计算机网络结合的产物[1,2]。无线局域网(WLAN)具有低成本、高吞吐量等特点，能与高速发展的互联网业务紧密结合，为用户提供高速便捷的无线上网服务。由于互联网高度发展，WLAN迅速在全球普及。目前，手机，笔记本，以及各种电子产品中已经集成了WLAN无线上网模块，使人们可以随时随地的享受无线高速的网络，为人们提供了非常大的方便。

天线是WLAN中极其重要的组成部分，天线的优劣直接影响系统中数据传输质量。微带天线以其体积小、重量轻、低剖面、易共形、制造简单、成本低、易与微带线路集成等一系列优点，在WLAN中得到了广泛的应用，其形式也是多种多样，但基本上以微带贴片的异形结构、开槽结构和缝隙结构为主[3-7]。不失特殊性，本文针对WLAN的具体需求，在微带贴片天线的基础上，设计了一种矩形开槽双频微带天线，研究了该天线主要参数对天线性能的影响，优化了天线设计。

2.天线设计

设计一矩形开槽微带天线，天线辐射贴片形状如图1(a)所示。天线仅需一层介质基片，从图1(a)中AA'看过去的横截面如图1(b)所示。介质基片采用普通的FR4板材，相对介电常数rε=4.4，损耗角正切tanδ=0.02，厚度h=1.6mm。

图1 天线结构示意图

图2 矩形微带贴片天线的S11参数曲线

借助于电磁场仿真软件，通过多次反复仿真，最终获得了较为合适的参数：矩形贴片长L=25mm，宽W=16mm；矩形槽宽度s=1mm，槽间距d=5.5mm；凸形槽距离贴片左右边缘的距离d2=0.5mm，距离上下边缘的距离d1=2mm，凸形槽的上边长l1=10mm，凸形槽突出的部分长w2=0.5mm，宽l2=1mm；馈电点位于距离中垂线df=4mm处，整个模型是完全对称的。通过仿真得到该双频天线的谐振中心频率及带宽特性如图2所示。

图3 天线辐射方向图

由图2可知，该双频天线的谐振点频率为2.43GHz和5.24GHz，具有很好的双频特性。同时在S11<-10dB标准下，带宽分别为63MHz和105MHz，基本覆盖了2.4GHz的ISM波段(2.4GHz-2.4835GHz)和5.25GHz的ISM波段(5.15GHz-5.35GHz)。图3给出了天线在频率f=2.43GHz时的E面和H面辐射方向图。依据上述电磁仿真结果中的天线尺寸，完成天线制作，如图4所示。

图4 矩形微带贴片天线实物图

为了验证图4所示天线实际接收信号的能力，将制作好的天线与外置无线网卡相连，关闭笔记本电脑内置网卡，测试得到的无线网络信号如图5所示。

图5 TP-LINK网卡自带天线测试过程

从图5可以看出，在WLAN信号覆盖的空间某一位置，用TP-LINK网卡自带天线测试的接收信号强度为-44dBm。在保持其它条件不变的情况下，在TP-LINK网卡中换上本文设计的微带天线，测试结果如图6所示。

图6 TP-LINK网卡结合本文设计天线测试过程

图5和图6所示测试结果对比可以看出，本文设计的矩形微带贴片天线接收信号能力比TP-LINK网卡自带天线强，在同一位置，TPLINK网卡自带天线接收信号强度为-44dBm，而该矩形微带贴片天线接收的信号强度可达到-37dBm。

3.天线特性分析

通过在天线辐射贴片开槽来实现天线的小型化及双频工作，下面主要讨论槽的大小对天线S11的影响。

3.1 矩形槽槽间距d的影响

为了探讨矩形槽槽间距d对天线谐振特性的影响，分别取d=1mm，d=5.5mm，d=10mm，d=15mm，得到的S11参数的结果如图7所示：

图7 改变矩形微带贴片天线矩形槽槽间距d对天线谐振特性的影响

由图7可知，改变矩形槽槽间距d对低端的谐振频率有明显的影响，随着槽间距d的增大，低端谐振频率不断增大，而高端谐振频率基本保持不变，即槽间距主要影响低端的谐振特性，这样可以通过调节矩形槽槽间距来获得所需的低端谐振频率。另外，因为只有一端的频率在变，可以认为这是微调双频比的一种好方法，易于调节。

图8 改变矩形微带贴片天线凸形槽上下边距d1对天线谐振特性的影响

3.2 凸形槽与贴片上下边缘距离d1的影响

凸形槽与天线辐射贴片上下边缘的距离分别取d1=1mm，2mm，3mm，计算出天线的反射系数S11，如图8所示。

由图可知，随着d1的增大，低端的谐振频率基本保持不变，高端的中心谐振频率明显增大，即边距d1仅对高端谐振频率产生明显响应，可以通过调整d1对双频比进行微调。

4.结束语

本文在微带天线基本结构的基础上，通过在微带天线中间开矩形槽、两端开凸形槽，实现了天线的小型化和双频工作。设计了一种应用于WLAN的小型化双频段微带天线，分析了槽参数对天线性能的影响。微带天线辐射贴片尺寸为16mm×25mm，天线结构简单，FR4介质成本较低，加工方便，有着广泛的应用前景。

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