WLAN小型双频微带天线的设计与分析

汪仲清，曹 昶，邬墨家，李 宝

(重庆邮电大学a.数理学院;b.光电工程学院，重庆 400065)

无线局域网(Wireless Local Area Network，WLAN)是利用无线技术实现快速接入以太网的技术。3G通信在国内开始商用以后，各地广泛采用3G+WLAN的混合组网策略，使得WLAN的应用非常广泛。2009年通过的新一代无线局域网标准IEEE 802.11n将WLAN的传输速率由原来的54 Mbit/s提高到300 Mbit/s，最高可达600 Mbit/s，使得WLAN的应用更具价值和前景，发展也更加迅猛。天线作为系统最重要的设备前端，直接影响着WLAN的整体性能。IEEE规定WLAN的工作频段为(2.40～2.4835 GHz)，(5.15 ～5.35 GHz)，(5.725 ～5.825 GHz)，这要求WLAN天线必须满足多频特性;从实用性和实际需求考虑，天线应实现小型化。微带天线易于实现多频，具有体积小、重量轻、剖面低、能与载体共型、成本低等优点［1］，而在 WLAN 中广泛采用。

近年来，针对多频和小型化出现了很多的研究方法。贴片开槽和采用双层贴片的结构是实现双频最常用的两种方法［2］。Lin R J等人采用贴片加载U型槽和T型槽的方法实现了双频［3］，但是贴片尺寸较大，达到46 mm×30 mm。钟琪山等人采用贴片加载环形槽，微带线馈电的方法进行设计［4］，天线尺寸较大且没有覆盖WLAN要求的频段(5.725～5.825 GHz)。刘长军等人采用了双层贴片结构［5］，没有覆盖(2.40～2.4835 GHz)频段而且增加了天线的高度;对天线小型化常用的方法是在接地板和辐射贴片之间加载短路面或短路探针［6］。以上这些方法可以很好地解决天线的多频、小型化等要求，只是单独使用不能有效解决实际中的多个问题。

在综合考虑以上研究的基础上，本文采用贴片开槽、加载短路面、空气腔和同轴探针馈电方法设计了一种应用于WLAN的小型双频微带天线。在低频端和高频端阻抗带宽分别达到200 MHz和1050 MHz，能够完全覆盖IEEE 802.11a/b/g/n所对应的工作频段。2.45 GHz和5.2 GHz增益分别达到3.8 dB和8.8 dB，满足了天线高增益的需求。贴片尺寸为24 mm×20 mm，实现了天线的小型化。

1 天线结构设计

本文所设计的天线结构如图1所示。

图1 天线的俯视图与侧视图

贴片开U型槽改变了贴片表面的电流分布，使天线具有双频效应，同时缝隙引入的容抗与同轴探针的感抗相抵消，从而展宽了频带带宽。而在贴片与接地板之间引入短路面，相当于在天线贴片与接地板之间形成了一个电壁，使得天线的谐振频率急剧减小，从而减小天线的尺寸。基板厚度的增加会导致辐射电导的增加，使得天线Q值下降进而展宽频带;相对介电常数εr减小时，介质对场的“束缚”减小，易于辐射，这样将使辐射对应的Q值下降、频带变宽［7］。经过以上分析，本文选用Taconic TLY(εr=2.2)做介质基板。

在普通矩形微带天线的设计中，可以根据所要求的带宽和中心频率，由以下公式求出天线的基本尺寸

式中:c为光速;f0为天线的中心频率;εe为介质的等效介电常数;L和W为辐射贴片的长和宽;ΔL为天线的伸长量;WG和LG为接地板的长和宽，当接地板的尺寸满足式(4)时，可视接地板为无限大。

应用公式(1)～(4)，可得到中心频率f0=2.45 GHz时天线尺寸的初始值，然后通过调节短路面的长度减小辐射贴片的尺寸，最后开U型槽获得所需要的5 GHz频段。综合以上各公式，经过优化，天线尺寸如表1所示。

表1 天线设计参数 mm

2 仿真与分析

用基于有限元法的高频仿真软件HFSS 10.0对设计的天线进行仿真，用出图软件导出仿真结果。

天线的电压驻波比随频率的变化如图2所示，从中可以看出天线产生了3个频点，分别是2.45 GHz，5.2 GHz和5.80 GHz。当回波损耗S11＜－10 dB时，天线在低频端覆盖(2.35～2.55 GHz)，带宽达到了200 MHz，比WLAN要求的83.5 MHz宽116.5 MHz;天线在高频端的带宽是(5.0～6.05 GHz)，比WLAN要求的带宽(5.15～5.35 GHz)，(5.725～5.825 GHz)展宽了750 MHz。天线在谐振点的回波损耗越小，说明天线阻抗匹配越好。本文在3个谐振点回波损耗分别达到－16.5 dB，－27.5 dB和－37.5 dB，天线阻抗匹配较好。

图2 天线的回波损耗随频率的变化

前面分析指出贴片表面开U型槽改变了贴片表面的电流分布从而使天线产生双频辐射，对2.45 GHz和5.2 GHz，相位为180°辐射贴片和短路面的表面电流分布进行仿真，结果如图3所示，图中箭头代表电流的流动方向，线条的密集程度及颜色深度表示电流分布的密度。可以看出，电流主要分布在辐射贴片上，而在短路面上分布较少。2.45 GHz时电流在同轴探针附近分布比较密集;5.2 GHz时电流主要分布在U型槽双臂周围。

通过改变 L1，W1，L2，W2，L4这5 个参数对天线进行了大量的仿真分析，结果如图4所示。图4a是天线的回波损耗随L2的变化，可以看出L2对低频端影响较小，对高频端天线的谐振频率和带宽影响比较明显。当L2较小时高频端回波损耗较大，阻抗带宽较窄，随着L2的增大，在高频端回波损耗变小而且带宽展宽，当L2为17 mm时，回波损耗最小。随着L2继续增大，当L2为19 mm时，带宽更宽但是回波损耗变大。图4b是天线回波损耗随W1的变化，可以看出W1对回波损耗和带宽的影响也很明显，随着W1增大，天线的回波损耗增大，带宽变窄。分析L1，W2，L4也可以得到类似的结论。

图3 短路面和接地板表面电流分布

图4 天线的回波损耗变化情况

考虑到其他因素如馈电位置、缝隙宽度、混合空气介质层对天线性能的影响，经过仿真分析，得出如下结论:

1)馈电的位置。随着L0的增大，高频端整体向左偏移，且带宽变窄。

2)空气腔高度。随着H0增大，高频端整体向右偏移。

3)当L1越大，高频端带宽越宽，但是高频端回波损耗不能全部位于－10 dB以下。

4)随着L4越大，低频端回波损耗变小，高频端回波损耗先变小然后又增大。

天线在频率为2.45 GHz和5.2 GHz两处的E面、H面的辐射方向图如图5所示。可以看出天线在上半平面辐射方向图较好，后向辐射很小。在2.45 GHz处天线的主瓣方向为－15°，E面和H面3 dB波束宽度分别达到了156°和190°;在5.2 GHz处的主瓣方向为 0°，E 面和 H 面3 dB波束宽度分别达到了110°和95°，天线的辐射方向图一致性良好。图6是天线的增益随频率的变化，可以看出在主要的工作频段天线增益变化很小;在(2.35～2.55 GHz)频段，天线增益都在3.5～3.8 dB之间，变化只有0.3 dB;在(5.0～6.05 GHz)频段内增益都在7.3～8.8 dB之间，变化只有1.5 dB。

3 结论

本文通过采用贴片开槽、加载短路面、空气腔和同轴探针馈电方法设计了一种应用于WLAN的小型双频微带天线。仿真结果表明，当S11＜－10 dB时，设计天线在低频端和高频端的带宽分别达到200 MHz和1050 MHz，覆盖了WLAN标准对应的所有频段;在2.45 GHz和5.2 GHz频点处，增益分别达到3.8 dB和8.8 dB，方向性较好。在工作频段内增益变化很小，分别只有0.3 dB和1.5 dB，相对于以前的其他研究有很大的改善。该设计天线能够满足目前WLAN对多频、宽带、小型化、高增益的要求，对实际应用有较好的参考价值。

［1］马小玲，康凤兴，王贞松.微带天线及其在通信与广播电视中的应用［J］.电视技术，2000，24(5):60－61.

［2］郭戈，邵建兴.一种容性馈电宽带微带天线的设计与分析［J］.电讯技术，2010，50(6):80－83.

［3］LINSP R J，YE M.A novel dual－band microstrip antenna for WLAN application［C］//Proc.2009 International Conference on Wireless mobile and computing.ShangHai:IEEE Press ，2009:269－271.

［4］钟期洪，李元新，龙云亮.新型WLAN双频微带贴片天线的设计与研究［J］.中山大学学报，2004，43(1):35－37.

［5］伍韬，闫丽萍，刘长军，等.一种用于WLAN的宽频带微带天线［J］.信息与电子工程，2007，5(2):34－37.

［6］陈凯亚，黄宗盛.宽带小型化U型贴片天线的设计［J］.电讯技术，2010，50(6):71－74.

［7］张钧，刘克诚，张贤峄.微带天线理论与工程［M］.北京:国防工业出版社，1988.