应用于无线局域网的低剖面宽带双频微带天线的设计

罗歆瑶，袁家德

(福州大学物理与信息工程学院，福建 福州 350116)

0 引言

应用于无线局域网(WLAN)的双频定向天线被广泛使用于无线基站、室内无线接入点以及点对点通信等. 近年来，大量的WLAN定向辐射天线被提出，如采用全向天线加反射板结构实现定向辐射[1-3]、微带天线[4-6]等，但这些天线结构难以在实现低剖面的同时完成对IEEE 802.11a/b/n/ac标准所规定2.4/5 GHz频段的完全覆盖.

平面倒F天线(PIFA)在实现低剖面的同时，可实现双频和宽频带[7-9]. 文[7]提出一种应用于WLAN频段的Y形槽双频PIFA天线，该天线具有较低的剖面高度，但其高、低频段不能够实现对IEEE 802.11a/b/n/ac标准所规定的两个频段的完全覆盖. 文[8]提出一种应用于WLAN频段的半圆形开槽双频定向PIFA天线，该天线完全覆盖IEEE 802.11a/b/n/ac频段，且具有较低的剖面. 然而，相比于微带天线，PIFA天线方向图不圆度较差，且增益较低.

微带天线具有体积小、低剖面、高增益、易于实现双频段等诸多优点[10]，但是它窄带的缺点制约着其在WLAN领域的广泛应用[11-12]. 文[11]通过在微带天线辐射贴片加载U型槽实现微带天线的双频和宽频带，但其在WLAN 高频段的带宽仅为300 MHz. 文[12]通过在微带天线辐射贴片上加载两矩形槽实现双频，其WLAN高频段的工作带宽为5.125～5.395 GHz 和 5.725～5.985 GHz.

在上述研究的基础上，本研究提出一款应用于WLAN的低剖面微带天线. 该天线在使用U型槽来实现双频的同时引入了三个连接桥来调整天线的阻抗匹配，并通过添加一根短路探针来调节该天线低频段的谐振频率. 天线的回波损耗10 dB工作带宽分别为2.39～2.50 GHz和5.02～5.87 GHz，能够完全覆盖IEEE 802.11a/b/n/ac标准所规定的2.4/5 GHz频段.

1 天线结构与设计

图1 天线结构示意图Fig.1 Geometry of the proposed antenna

天线结构如图1所示. 天线由空气层、上下两层FR4介质及其印刷导体组成. 天线的辐射单元由印刷在上层介质基板上的U型外贴片、矩形内贴片以及它们之间的矩形连接桥组成. U型外贴片外围总尺寸为L2×W2； 矩形内贴片的尺寸为L4×W4； 矩形连接桥A的长度为Wa，矩形连接桥B和C的长度都为Wb. 该天线采用同轴探针馈电，馈电点在距中心点O的距离为xf的x轴上. 加载的短路探针D在U型外贴片处与微带天线接地面短接.

图2给出了图1天线结构的等效电路模型. 天线最初的设计源于天线I，如图3所示. 天线辐射贴片可以看作是矩形贴片加载一个U型槽形成[11]. 天线II在U型外贴片和矩形内贴片之间的槽中增加了三个矩形连接桥A、B和C. 在天线II的基础上，天线III在U型外贴片上加载了一根短路探针D，其位置如图1所示. 这相当于在天线的等效电路中引入了一个等效电感L2，从而形成了一个并联谐振电路，该短路探针等效电感对天线的低频谐振频率起到调谐的作用，探针阻抗设为R2，如图2所示. 从图2中可以看出，整个天线可以等效为串联谐振电路和并联谐振电路的组合，并激励出了两个相邻的谐振模式，天线的频带宽度由此得到了展宽.

图2 天线等效电路 图3 天线的设计过程

Fig.2 Equivalent circuit of proposed antenna Fig.3 Design process of the proposed antenna

图4分别给出了天线设计过程中三个天线的回波损耗|S11|. 从图中可以看出，天线I在引入三个导体连接桥变成天线II后，增加了内外贴片之间的电磁耦合，WLAN天线高频段谐振特性明显改善，拓宽了高频段的阻抗带宽. 在天线II的基础上增加短路探针变成天线III后，高频段的谐振频率没有明显变化，而对低频段谐振特性影响明显. 这表明该短路探针可以在不明显影响高频谐振频率的情况下，调节天线的低频谐振频率，同时还能进一步改善两个谐振频段的阻抗匹配.

研究短路探针D的位置xd对天线性能的影响，固定其他参数不变，改变xd数值，该天线高、低频段|S11|值的变化情况如图5所示. 从图中可以看出，xd的值增大时，低频段的谐振频率将向右偏移，而高频段的谐振频率没有明显变化. 这表明适当选择该短路探针的位置xd，可以在不明显影响高频谐振频率的情况下，调节天线的低频谐振频率.

图4 天线I、天线II、天线III对应的|S11|曲线Fig.4 Corresponding |S11| characteristics of antenna I, antenna II and antenna III, respectively

图5 短路探针位置xd的变化对|S11|特性的影响Fig.5 Simulated return loss of the proposed antenna with different values of xd

天线III即为最终设计的天线结构，经过电磁仿真软件的反复优化，所设计天线结构(如图1所示)的最佳尺寸见表1，其中天线上下两层FR4介质板厚度均为0.6 mm，天线剖面总厚度为5.2 mm，相对于低频段中心工作频率2.45 GHz的电长度为0.042λ(λ为自由空间中的工作波长).

表1 天线结构的详细参数

2 实验结果与分析

基于表1中最优化结构尺寸，制作了相应的天线实物，天线上下两层介质板采用塑料螺丝固定，如图6所示. 采用安捷伦E5071C网络分析仪测试了天线的回波损耗(|S11|)和在微波暗室中测试了天线的增益方向图，并与电磁仿真软件的仿真结果进行对比，如图7～9所示.

图7表明仿真和测试结果较好吻合. 通过观察测试结果，可以发现所设计双频天线实际的回波损耗10 dB带宽分别为4.58% (2.39～2.50 GHz)和15.45% (5.02～5.87 GHz). 天线在谐振点处的回波损耗分别为36.51 dB(2.45 GHz处)和20.17 dB(5.5 GHz处)，显示出天线良好的匹配性.

图6 天线实物图Fig.6 Photographs of the fabricated antenna

图7 回波损耗|S11|实测和仿真结果对比图Fig.7 Measured and simulated return loss |S11| of the antenna

图8和图9分别给出了2.45和5.5 GHz时, 天线在图1中xz面位置的仿真与测试增益方向图. 从图中可以看出，仿真与测试结果较好吻合. 两者之间存在误差的原因在于：天线制作时所使用FR4介质材料的介电常数不稳定、微波暗室测试、天线加工尺寸和焊接等误差. 从图中可以看出，天线在频率为2.45 GHz处的实测增益为6.14 dBi，在频率为5.5 GHz处的实测增益为8.82 dBi. 从测试结果可以看出，该天线在高、低两个频段均具备较好的定向辐射特性.

图8 天线在频率2.45 GHz时仿真与测试增益方向图Fig.8 Measured and simulated radiation patterns at 2.45 GHz

图9 天线在频率5.5 GHz时的仿真与测试增益方向图Fig.9 Measured and simulated radiation patterns at 5.5 GHz

3 结语

研究一种应用于WLAN的低剖面单馈双频宽带微带天线. 该天线具有较高的增益，完全覆盖IEEE 802.11a/b/n/ac标准所规定的所有工作频段. 该天线采用在天线辐射贴片上加载U型槽实现双频，在内外辐射贴片间引入三个连接桥改善了阻抗的匹配，通过加载一根短路探针来调节低频段的阻抗匹配特性. 测试结果表明，天线在低、高频段的工作带宽分别为110和850 MHz. 该天线剖面高度仅为0.042λ，且结构简单，易于组成阵列，具有较好的应用前景.

[1] QUAN X L, LI R L, CUI Y H,etal. Analysis and design of a compact dual-band directional antenna[J]. IEEE Antennas & Wireless Propagation Letters, 2012, 11(1): 547-550.

[2] LI R L, QUAN X L, CUI Y H,etal. Directional triple-band planar antenna for WLAN/WiMax access points[J]. Electronics Letters, 2012, 48(6): 305-306.

[3] SON X T，IKMO P. Dual-band low-profile crossed asymmetric dipole antenna on dual-band AMC surface[J]. IEEE Antennas & Wireless Propagation Letters, 2014, 13: 587-590.

[4] PRITAM S B, SANTANU D, MANAS S,etal. Proximity-coupled microstrip antenna for Bluetooth, WiMAX, and WLAN applications[J]. IEEE Antennas & Wireless Propagation Letters, 2015, 14: 755-758.

[5] 易钊，肖海林，胡振. 一种适用于WLAN的新型小型化双极化天线[J]. 微波学报，2013(4)：62-64； 73.

[6] SRIMOON D A, PHONGCHAROENPANICH C, KRAIRIKSH M. Probe-fed rectangular ring antenna with a cross-strip for low cross-polarization[J]. IEEE Transactions on Antennas & Propagation, 2006, 54(5): 1 586-1 591.

[7] SIM C, TU S. Dual-frequency shorted patch antenna for WLAN applications[J]. Microwave & Optical Technology Letters, 2007, 49(2): 389-391.

[8] MEDEIROS C R, LIMA E B, COSTA J R,etal. Wideband slot antenna for WLAN access points[J]. IEEE Antennas & Wireless Propagation Letters, 2010, 9(1): 79-82.

[9] CHEN W, YIN J, LI M,etal. Directional dual-band slotted semi-circular inverted-F antenna for WLAN applications[J]. Electronics Letters, 2015, 51(24): 1 960-1 962.

[10] 刘培涛，王坚，李英，等. 一种U型开槽的平面倒置F型双频微带天线[J]. 微波学报，2005(2)：45-48.

[11] 李鑫，丁军，吕晓德. 一种应用于WLAN的U形槽加载的双频贴片微带天线[J]. 中国科学院研究生院学报，2007，24(3)：380-383.

[12] CHAKRABORTY U, KUNDU A, CHOWDHURY S K,etal. Compact dual-band microstrip antenna for IEEE 802.11a WLAN application[J]. IEEE Antennas & Wireless Propagation Letters, 2014, 13: 407-410.