应用于无线局域网的双频天线设计

邓东民，郑宏兴，王　辂

（天津职业技术师范大学天线与微波技术研究所，天津300222）



应用于无线局域网的双频天线设计

邓东民，郑宏兴，王辂

（天津职业技术师范大学天线与微波技术研究所，天津300222）

摘要：设计一种应用于无线局域网的单极子天线，天线上表面以矩形环和"T"形结构作为辐射单元，下表面则以矩形结构作为接地面。通过软件仿真和实验分析得出，这种天线工作频率范围分别为2.04～2.98 GHz和4.85～6 GHz，在工作频率范围内表现出良好的辐射特性。根据IEEE802.11规定的无线局域网频段范围，这种天线满足实际应用要求。

关键词：单极子天线；矩形环；T形辐射单元；无线局域网

在无线通信技术的发展历程中，无线局域网（WLAN）系统因具有灵活便捷的优势，得到了广泛的关注和重视[1]，人们对WLAN收发系统的要求也越来越高。天线在WLAN的收发系统中起到至关重要的作用。单极子天线具有体积小、轮廓低、易于加工和易于实现多频工作等特点，在无线通信系统中得到了广泛应用[2]。由于WLAN系统工作在多频段，因此需要这种天线实现多频工作，其中较常用的多频方法有多片法、多枝节法和单片法[3]。多片法将谐振频率不同的多个贴片叠放在一起，从而产生多个频率。多枝节法是将不同谐振频率的辐射单元组合在一起进行工作。单片法是在单个辐射贴片内激起不同谐振频率的模式，从而进行工作。文献[4-6]提出一系列应用于WLAN通信系统的天线结构，如L形、F形、G形，但普遍存在频段带宽较窄的问题；文献[7]提到一种应用于WLAN的单极子天线，使用共面波导的馈电方式，并采用C形辐射贴片结构，虽然大幅度提高带宽，但高频段方向性较差；文献[8]提到一种应用于WLAN的单极子天线，虽然其结构简单，但高频段S11不稳定，难以满足实际应用的要求。

本文设计了一种单极子天线，分析该天线的电流分布可知，其可以分别工作在2个不同的频率。通过调整天线2个辐射单元的尺寸，使其在IEEE802.11b/g 和IEEE802.11a标准所规定的WLAN频率范围内具有良好的辐射特性。实验结果表明，这种天线在2个工作频点均有良好的全向特性，符合实际应用的要求。

1　天线原理与结构

1.1天线原理

具有微带线结构的1/4波长单极子天线结构如图1所示。对于1/4波长单极子天线，可以使用图1（a）所示的微带线结构来实现。为适应天线小型化和便携化的要求，可以将天线进一步折成“L”形、“T”形或环形以缩小天线尺寸，如图1（b）和1（c）所示。

图1　单极子天线的结构演化

为使天线在所需要的频率工作，需要调整辐射贴片枝节单元的有效宽度w和长度L，采用如下公式[9]计算：

式中：εr为介质的相对介电常数；c为光速。

考虑到边缘缩短效应，有效的辐射贴片长度为：

式中：εe为有效介电常数；ΔL为等效辐射缝隙长度。计算公式为：

1.2天线结构设计

天线的设计结构如图2所示，天线印制在尺寸为35×55 mm2的介质基板上。介质基板的材料为FR4，其相对介电常数为4.4，厚度h为1.6 mm。天线采用微带线馈电，正面采用矩形环状结构并在内部增加“T”形枝节作为辐射贴片，图中虚线阴影部分是天线背面接地面的结构。

图2　天线结构示意图

2　天线的参数仿真与实验分析

为说明上述结构尺寸与天线的电性能关系，采用电磁仿真软件分析其电流分布，如图3所示。电流从馈电点流出，分别在矩形环与“T”形枝节内部随时间呈周期性震荡。图3（a）是天线工作在2.4 GHz时的电流分布图，可以看出电流主要在矩形环状结构上分布，而“T”形枝节上几乎没有电流，因此外部矩形环结构对应的是天线低频工作频率；图3（b）显示的是天线工作在5.2 GHz时的电流分布图，外部矩形环上的电流明显减弱，内部“T”形枝节上有较大电流分布，故矩形环内部的“T”形枝节对应的是天线高频工作频率。根据电流分布特点，可以通过调节矩形环和“T”形枝节的有效辐射长度来调整天线的2个工作频率。按照这一原理，对天线的尺寸进行设计。

图3　天线在2.4 GHz和5.2 GHz的电流分布

利用软件对天线进行仿真，分析尺寸参数变化时电参数的变化。如前所述，当改变矩形环状结构的大小时，可以调整天线低频部分的工作频率。改变L3时S11的变化如图4所示，当改变矩形环长L3时，低频工作点发生了明显的移动，可以根据需要调整天线低频部分的工作频率。

图4　改变L3时S11的变化

类似的，当改变内部“T”形结构的大小时，可以调整天线高频部分的工作频率。在改变“T”形结构长L5时，高频工作点发生了明显的移动，如图5所示。

图5　改变L5时S11的变化

经过对天线2部分结构尺寸的选择，天线各结构的尺寸参数如表1所示。根据表1中参数，天线的回波损耗如图6所示，图中的实线表示天线的回波损耗情况，可以看出天线在2.04～2.98 GHz和4.85～6 GHz的范围内有良好的辐射特性，低频工作带宽达到940 MHz，高频工作带宽达到1 150 MHz。天线的电压驻波比如图7所示，图中实线表示天线的电压驻波比，与S11辐射频率保持一致，能够完全覆盖IEEE802.11b/g 和IEEE802.11a的全部工作频段。

表1　天线的结构参数mm

采用AV3629矢量网络分析仪对这种天线的回波损耗和电压驻波比进行测量，结果分别如图6和图7中的虚线所示，可以看出实测结果和仿真结果基本吻合。出现偏差的原因可能是介质基板不均匀、加工工艺不准确或是测量环境影响所致，但所产生的偏差在可接受的范围内。

图6　天线的回波损耗

图7　天线的电压驻波比

天线在2.4 GHz、5.2 GHz、5.8 GHz频点上E面和H面的辐射方向图如图8所示。由图8可以看出，该天线在xoy面上基本满足全方向的辐射特性，在xoz面上近似满足双向性的辐射特性。当工作频率逐渐增高时，由于电流发生衰减，天线的方向图出现轻微的畸变，但仍然满足设计要求。

图8　天线的辐射方向图

3　结束语

本文设计了一种应用于无线局域网的双频天线，从仿真和实验结果可以看出，这种天线可以完全覆盖IEEE802.11b/g和IEEE802.11a标准所规定的频率范围。本研究分别对天线的外部矩形环结构和内部“T”形结构的尺寸进行调整，方便调节天线的2个工作频率。此外，这种天线在其2个工作频段内均有良好的方向性，能够有效地应用于WLAN无线局域网通信系统中。

参考文献：

［1］吴慧敏，权孟立.WLAN技术概论[J].科技信息，2008，29：414-415.

［2］王刚.应用于无线局域网的多频微带天线研究与设计[D].哈尔滨：哈尔滨工程大学，2013.

［3］刘景湘.双频段微带天线的研究与设计[D].南昌：南昌大学，2014.

［4］SUMA M N，ROHUTH K R，MANOJ J.A compact dual band planar branched monopole antenna for DCS/2.4-GHz WLAN applications[J].IEEE Microwave and Wireless Components Letters，2007，43（24）：275-277.

［5］XIN G L，XU J P.Wideband miniature G-shaped antenna for dual-band WLAN applications[J].Electronics Letters，2006，16（5）：1330-1332.

［6］盖硕，焦永昌，朱沛，等.一种新颖的应用于无线局域网的小型化单极子天线[J].微波学报，2010，25（3）：172-174.

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［8］宋小弟，冯恩信，傅君眉.一种用于WLAN的小型双频宽带印刷单极子天线[J].微波学报，2009，25（6）：71-74.

［9］KRAUSJD，MARHEFKARJ.Antennas：For All Applications [M].Beijing：Publishing House of Electronics Industry，2012.

Design of dual-band antenna applied in wireless local area network

DENG Dong-min，ZHENG Hong-xing，WANG Lu
（Institute of Antenna and Microwave Techniques，Tianjin University of Technology and Education，Tianjin 300222，China）

Abstract：A mono-pole antenna is designed in this paper.It can be applied in wireless local area network（WLAN）.The top surface of this antenna adopts rectangular ring and T- shape as radiation elements，and the bottom uses rectangular structure as ground plane.According to the simulation of software and analysis of experiment，the results show that the frequencies cover 2.45 GHz，5.2 GHz and 5.8 GHz.This antenna can be satisfying in the actual applications as IEEE802.11 standard on the WLAN.

Key words：mono-pole antenna；rectangular ring；T- shape radiation element；wireless local are network（WLAN）

作者简介：邓东民（1990—），男，硕士研究生；郑宏兴（1962—），男，教授，博士，硕士生导师，研究方向为天线、微波电路及计算电磁学.

基金项目：国家自然科学基金资助项目（61371043）.

收稿日期：2015-07-24

中图分类号：TN822

文献标识码：A

文章编号：2095－0926（2016）01－0018－04