用于WiFi频段的极化分集天线的研究与设计

王利红， 冯彩霞

(山西大同大学 物理与电子科学学院， 山西 大同 037009)

用于WiFi频段的极化分集天线的研究与设计

王利红， 冯彩霞

(山西大同大学 物理与电子科学学院， 山西 大同 037009)

本文设计了一个用于WiFi频段的极化分集天线， 该天线由水平极化的缝隙天线和垂直极化的单极天线组成， 利用其电场的垂直正交特性， 可以提高分集天线两个端口间的隔离度. 所设计的天线尺寸为24 mm×36 mm， 测量与仿真结果显示该天线能工作在2.28～2.55 GHz 和5.63～5.87 GHz两个频段内， 具有较好的辐射特性， 天线单元间的隔离度达到了30 dB以上.

高隔离度； 双频段极化分集天线； 小型化天线

WiFi是连接上网的常用方式， 随着宽带无线接入技术的飞速发展及应用， 无线连接设备变得越来越多， 人们对无线连接的速度、 稳定性等方面的要求也越来越高， 同时利用天线的分集技术可以减小信号传输的多径衰落和同频道干扰， 于是研究应用于WiFi频段的双频极化分集天线成了一个热点.

隔离度是极化分集天线的一个关键技术， 一般要求达到30 dB以上. 在文献[1]和[2]中， 分别应用了开槽和添加调谐枝节的方法来提高隔离度. 文献[3]中的极化分集天线通过在地面插入一个T型的调谐枝节来提高隔离度. 在目前的双极化分集天线中， 用的主要是 45°正交的极化， 虽然天线的分集效果比较好， 但是其尺寸一般都比较大， 可以将两个极化方式相互垂直正交的单元组成极化分集天线， 在提高隔离度的基础上实现天线的小型化. 文献[4] 提出了一种垂直极化的宽带多频WiFi天线， 该天线采用了耦合贴片加载的方法拓宽了高频段的带宽， 文献[5]中介绍的是一种水平极化的双频WiFi天线， 两者组合可以获得正交极化模式.

本文设计了一个高隔离度的极化分集WiFi天线， 可以工作在2.28～2.55 GHz和5.63～5.87 GHz 两个频段， 具有较好的辐射特性， 实现了小型化特性. 同时， 该天线由水平极化和垂直极化的两个天线单元组成， 隔离度达到了30 dB以上， 具有一定的研究价值.

1 天线设计

本文设计的天线结构如图1所示， 它由两个WiFi天线组成， 其中Ant_1是一个小型化的双频WiFi天线， 50 Ω的微带馈线位于介质基板的上表面， 开有“王”型的缝隙地位于基板的下表面， 天线的频率谐振点主要受此缝隙的尺寸影响. Ant_2是一个小型的正方形单极天线， 通过在辐射贴片上开U型缝隙可以实现双频带. 天线介质基板的厚度为1.2 mm， 介电常数为4.4， 尺寸为24 mm × 36 mm.

图 1 极化分集天线的结构示意图Fig.1 Schematic of the diversity antenna

2 天线的S参数分析

文中采用三维电磁仿真软件HFSS分别对Ant_1和Ant_2进行了模拟仿真.

对于Ant_1， 其工作频段主要受地面“王”型缝隙的尺寸所影响. 图 2 和图 3 分别给出了不同l2、 和l5时天线的S参数仿真结果， 可以看出这两个参数只影响高频段的谐振频率fH.l2和l5的值越大，fH越小. 当l2从14 mm增加到17 mm时，fH从5.9 GHz减小到了5.6 GHz；l5从8.6 mm增加到14.6 mm，fH从6.1 GHz减小到了5.4 GHz. 考虑到WiFi频段的标准，l2和l5的值分别选15 mm和12.6 mm， 此时fH为5.8 GHz.

图 2 不同l2值时天线的S参数Fig.2 The simulated S11 for different l2

图 3 不同l5值时天线的S参数Fig.3 The simulated S11 for different l5

图 4 和图 5 分别给出了不同l7和w7时天线的S参数仿真结果. 可以看出，l7和w7主要影响低频段的谐振频率fL， 对高频段fH几乎没有影响， 随着l7和w7的增加， 低频段fL逐渐减小. 经过优化，l7和w7的值分别选10 mm和1.5 mm， 此时fL为2.4 GHz.

图 4 不同l7值时天线的S参数Fig.4 The simulated S11 for different l7

图 5 不同w7值时天线的S参数Fig.5 The simulated S11 for different w7

对于Ant_2， 其工作频段主要受辐射贴片上U型缝隙的尺寸所影响. 图 6 和图 7 分别给出了不同l9和w10时天线的S参数仿真结果. 可以看出，l9和w10都影响了高频段的工作带宽，w10主要影响低频段的谐振频率fL， 随着w10的增加，fL逐渐减小， 当w10=10 mm时，fL为2.4 GHz.

图 6 不同l9值时天线的S参数Fig.6 The simulated S11 for different l9

图 7 不同w10值时天线的S参数Fig.7 The simulated S11 for different w10

优化后天线的具体尺寸如表 1 所示.

表 1 天线结构参数

图8是仿真和测量的S参数图. 由图 8 可见， Ant_1的工作带宽为2.27～2.55 GHz 和5.63～5.87 GHz， Ant_2的工作带宽为2.28～2.62 GHz 和4.6～5.9 GHz， 因此本文所设计的极化分集天线可以工作在2.28～2.55 GHz 和5.63～5.87 GHz两个频段. 实测曲线与仿真结果基本吻合， 工作频带可以覆盖WiFi ( 2.4～2.484 GHz, 5.725～5.825 GHz )频段. 图 9 为天线的S12参数图， 可以看出， 在工作频段内天线两端口间的隔离度达到了30 dB以上， 符合设计要求.

图 8 仿真和测量的S参数图 Fig.8 The simulated and measured S-parameters

图 9 测量和仿真的S12Fig.9 The simulated and measured S12

3 天线的辐射方向图

图 10 和图 11 为天线的辐射方向图.

图 10 2.4 GHz处天线的辐射方向图Fig.10 The radiation patterns at 2.4 GHz

图 11 5.8 GHz处天线的辐射方向图Fig.11 The radiation patterns at 5.8 GHz

由图10， 图 11 可见， 在两个谐振点处天线的辐射特性基本相似， 方向性比较稳定. 另外， Ant_1的E面和H面分别在y-z和x-y面， Ant_2的E面和H面则分别在y-z和x-z面， 在H面上Ant_2的最小辐射值点和Ant_1的最大辐射值点基本一致， 这样就得到了两个相互垂直正交的极化方式， 减小了天线单元间的影响， 提高了极化分集天线的隔离度.

4 结 论

本文设计了一个用于WiFi频段的双频极化分集天线， 该天线由一个地面开有“王”型缝隙的水平极化天线(Ant_1)和一个辐射贴片开有U型缝隙的垂直极化天线(Ant_2)组成， 利用其电场的垂直正交特性， 可以提高分集天线两个端口间的隔离度. 该天线尺寸为24 mm×36 mm， 实现了小型化. 测量与仿真结果显示该天线能工作在2.28～2.55 GHz 和5.63～5.87 GHz两个频段内， 具有较好的辐射特性， 两端口间的隔离度达到了30 dB以上.

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Design and Research on Polarization Diversity Antennafor WiFi Bands

WANG Lihong， FENG Caixia

(School of Physics and Electronics Science, Shanxi Datong University, Datong 037009, China)

A polarization diversity antenna with high isolation for WiFi bands is designed in this paper. It comprises a horizontal polarization slot antenna and a Vertical polarization monopole antenna. The isolation between the two ports is improved due to the orthogonallity of E-field. The designed antenna has a small size of 24 mm×36 mm. The measured and simulated results show that it can atoperate 2.28～2.55 GHz and 5.63～5.87 GHz having wider radiation areas, in which the isolation is better than 30 dB.

high isolation; dual-frequency diversity antenna; miniaturization antenna

2016-11-20

山西省科技攻关资助项目(2015031002-1)； 山西大同大学2016年度青年科研基金资助项目(2016Q5)

王利红(1986-)， 女， 助教， 硕士， 主要从事射频与微波通信研究.

1671-7449(2017)04-0330-05

TN821+.3

A

10.3969/j.issn.1671-7449.2017.04.009