应用于WLAN的宽频带双频天线设计

(重庆邮电大学 自动化学院,重庆 400065)

无线局域网WLAN(Wide Local Area Network)是无线通信系统的重要组成部分,随着无线传输系统的进一步发展,已得到广泛应用与研究。IEEE 802.11 a标准 (5.150～5.350 GHz,5.725～5.875 GHz)和IEEE 802.11 b/g标准(2.400～2.484 GHz)规定了WLAN的应用频段与数据传输速率。为了满足在复杂的WLAN环境中的传输要求,设计能同时工作在多个频段且具有体积小、质量轻、易与电路集成、宽频带、圆极化等特点的天线已成为必然趋势。

近年来,能工作在WLAN的天线已被大量提出。如采用平面倒F结构实现的双频天线[1-2];采用探针馈电结构的微带天线结构,通过选择合适的馈电点实现双频传输[3];采用共面波导馈电结构的天线,这种馈电方式下可减小天线尺寸并加宽频带[4-11];采用微带线馈电与平面单极子天线等结构的天线,它将接地面与馈线分别置于介质板两侧,实现双频和三频段[12]。

本文提出了一种采用两个倒L结构的设计方法,利用曲流技术,在传统单极子天线的基础上,通过在微带馈线两侧分别加载不同长宽的谐振枝节,产生能同时覆盖WLAN低频段和高频段的宽频带双频天线。此种设计不仅减小了天线尺寸,并且利用两个谐振枝节产生不同的谐振频段,两个谐振枝节具有相对独立的特性,简化了双频天线设计。仿真结果表明,该天线具有较好的辐射特性,并且结构简单,易于加工并与电路良好集成,能较好地用于无线通信系统中。

1 天线结构设计

天线设计过程如图1所示,通过在传统的辐射枝节右边添加谐振枝节,同时向左弯折单极子,形成两个分别工作在5 GHz频段和2.4 GHz频段的谐振单元。天线的整体尺寸为35 mm×23 mm,采用的是相对介电常数εr为4.4,损耗正切角tanδ为0.02的聚四氟乙烯 (FR4)作为介质板,其厚度h为1.6 mm,微带线宽度为3 mm。

图1 天线基本结构设计过程Fig.1 Process of the antenna’s structure design

根据天线的波长计算公式:

式中:λ0为真空中波长;c为真空中光速;f为天线频率;λ'为介质中的波长;λ为介质中单极子天线波长。根据上述公式即可算得在介质板中平面单极子天线谐振长度。但对于PCB(Printed Circuit Board)板上的微带单极子天线,波的传输要经过介质也要经过自由空间,因此实际波长应该介于介质的导波波长和自由空间波长之间[13]。因此,对于2.5 GHz的工作频段,该天线波长介于14.1～30 mm;对于5.5 GHz的工作频段,该天线波长介于6.5～13.6 mm。

为了更好地说明左右两个倒L枝节对双频段设计的影响。利用电磁仿真软件Ansoft HFSS 13.0对2.5 GHz和5.5 GHz处天线的电流分布做了仿真分析,具体电流分布情况如图2。从图2中可看出,在2.5 GHz处天线的电流由馈电端口向左侧辐射枝节流动,随角度的变化,电流又流回端口;在5.5 GHz处,天线电流也随角度不同逐渐变化,且主要集中在右侧枝节处,左侧辐射枝节基本没有电流。

图2 天线表面电流随角度变化趋势Fig.2 Antenna surface currents with the angle changes

2 参数优化设计

本节利用Ansoft HFSS 13.0对天线进行优化,并对天线影响较大的参数加以比较分析。在优化过程中,采用一个参数变化,其他参数保持不变的策略,具体优化过程如图3。

图3 天线重要参数的优化Fig.3 Optimization of important antenna parameters

从图3(a)、(b)中可看出,W1、L3对天线的回波损耗有较大影响。随着W1的增大,该天线低频段的回波损耗逐渐增大,同时高频段的回波损耗却有所减小。随着L3增大,低频段的回波损耗减小;高频段回波损耗呈先减小后增大变化。也就是说,天线的阻抗特性对W1、L3的变化很敏感。从图3(c)、(d)可看出,W2、Lg的变化对高频段的谐振频率影响较大。随着W2的增大,在高频段的谐振频率逐渐左移;而当Lg增大时,天线在高频段的谐振频率向右有较大偏移。因此,通过适当调整W2与Lg,可有效改变高频段的谐振频率。此外,天线的其他参数也对谐振频率和阻抗特性有一定影响,通过对它们进行优化,最终确定的参数尺寸如表1所示。

表1 天线各参数优化后的数据Tab.1 Optimized data of antenna parameters

3 仿真结果分析

图4是参数优化后的该天线和传统平面单极子天线的回波损耗随频率的仿真变化图,对比传统单极子天线的谐振频率,本文所设计的天线阻抗匹配更好。本设计低频段的中心频率是2.5 GHz,小于-10 dB的阻抗带宽约为450 MHz,相对带宽为17.6%;高频段中心频率是5.5 GHz,小于-10 dB的阻抗带宽为1750 MHz,相对带宽为29.8%;各自带宽内的回波损耗最小值分别是-28 dB,-27.9 dB。图5是两种天线增益随频率的变化图,从图5中可看出,文中所设计天线的增益在谐振频段内分别是5.0～9.2 dBi,5.23～12.09 dBi,对比传统平面单极子天线,在两个谐振频段都具有更好的增益特性。

图4 优化后S11随频率变化曲线Fig.4 Optimized S11versus frequency curves

图5 优化后增益随频率变化曲线Fig.5 Optimized gain versus frequency curves

表2中对比了本文设计的天线与部分参考文献中所设计天线的增益、带宽、面积等指标。从对比结果可知,文中的天线尺寸较小,能完全覆盖WLAN频段,且具有较大增益。综合看来,该天线满足在复杂的WLAN环境中的传输要求,可以实现较好的双频传输。

表2 天线性能比较Tab.2 Comparison of antenna’s performance

图6给出了天线的远场区方向图。从图6中可看出,该天线在2.4,5.2,5.8 GHz的xz(E面)平面和yz(H面)平面都具有较好的全向辐射特性。但随着天线频率增加,天线的全向辐射性能有所变差。特别是在5.8 GHz时,由于高次模的出现,天线的全向辐射图有较大变化。但天线总体辐射性能较好,能适用于WLAN的传输环境。

图6 天线远场方向图Fig.6 Antenna’s far field radiation patterns

4 结论

本文设计了一种应用于WLAN的倒L型宽频带双频天线。并在电磁仿真软件HFSS 13.0中对单极子宽度、长度、接地面长度等进行优化分析,设计出完全覆盖WLAN频段,能同时工作在2.4 GHz频段和5 GHz频段的宽频带双频天线。结果表明,该天线在低频段与高频段的相对带宽分别为17.6%和29.8%,在2.4 GHz和5.2 GHz处的增益分别为8.04 dBi和7.61 dBi,此外,该天线结构简单且整体面积仅为35 mm×23 mm,能用于无线终端设备中。