一种新型小型化差分微带贴片天线

王世军，李 霖

(浙江理工大学信息学院，浙江杭州310000)

0 引言

无线局域网(WLNA)是采用802.11b(2.4～2.48 GHz)和802.11a(5.15～5.35 GHz)协议实现的无线网络，相对于传统的有线网络，具有使用方便、体积小的优势。天线在WLAN系统中扮演着发射和接收无线电信号的重要角色，其性能对无线互联的效果有着重要影响［1－3］。获得体积小、剖面低、成本低且易于集成的天线，是无线局域网的重要环节之一。

微带天线具有体积小、剖面低、成本低和结构简单等优点，近年来得到业界的广泛关注［4－8］。随着技术的进步，微带天线已在包括无线局域网等多个领域得到应用，如在贴片上加载U形缝隙的双频微带天线［9］，采用高介电常数基板的小型化微带天线［10］，在贴片上加载矩形缝隙的圆极化微带天线［11］。尽管这些天线都有优异的性能，然而却都是基于单端馈电实现，需要引入巴伦元件才能与越来越成为主流的后端差分型芯片互连，这样既会增加损耗和占用面积，也会增加设计的复杂度。基于这些因素，本文提出采用一种适用于无线局域网的差分型微带天线。相比单端天线，差分微带天线既拥有更高的辐射效率，又能获得谐波抑制和带宽拓展等新性能，更能实现与差分芯片的无缝对接，实现低损耗和小型化。另外，考虑到小型化的需要［12］，进一步对微带天线进行了开槽处理，通过延长电流距离、增加等效电感，成功地实现了天线的小型化。通过对一系列的参数进行分析和优化，最终设计出一个工作在无线局域网2．45 GHz频段的小型化差分微带天线模型，尺寸仅为传统天线的67%左右，带宽及辐射特性都能很好地满足无线局域网系统对天线的性能要求。

1 天线设计

1.1 小型化差分微带天线的设计

本文提出的小型化差分微带天线基本结构如图1所示。

图1 小型化差分天线尺寸结构

微带天线主要由接地板、介质基片和开了槽的辐射贴片组成。正方形贴片边长为b，正方形接地板边长为a，馈电点到贴片中心距离为d，对称槽边缘与贴片中心距离为k，槽长和槽宽分别为v和u，介质基片厚度为h，基片介电常数为2.65。天线的馈电方式为差分馈电，通过在贴片上开槽来实现小型化。基于上述理论，根据天线的中心频率及介质板的介电常数，通过相关天线尺寸计算公式确定天线的大概尺寸，基于这类近似的尺寸参数和专业的三维电磁仿真软件HFSS，同时在综合平衡天线的增益、阻抗带宽和小型化等设计指标的情况下，得到满足要求的各项指标，分别为:a=65 mm，b=29.4 mm，d=4 mm，h=1.7 mm，u=0.2 mm，v=22.2 mm，k=7 mm。基于这些数值参数，利用HFSS软件对天线的性能做出如下分析。

1.2 天线性能分析

1.1.1 k对天线性能的影响

改变槽边缘与贴片中心距离k，其他参数保持不变，k由5 mm增加到11 mm，得到的回波损耗图如图2所示。由图2可见，当k由5 mm增加到11 mm时，天线谐振频率有升高的趋势，说明可以通过调节k来达到调节天线尺寸的目的。

图2 k对天线性能的影响

1.1.2 v对天线性能的影响

改变贴片槽长v，其他参数保持不变，v由18 mm增加到24 mm，得到的回波损耗图如图3所示。由图3可见，当v由18 mm增加到24 mm时，天线谐振频率有降低的趋势，说明可以通过调节槽长v来达到调节天线尺寸的目的。

图3 v对天线性能的影响

从上述分析结果可以看出，对称槽对谐振频率影响比较大，这是因为对称槽的存在，阻碍了贴片表面的部分电流的流动，改变了电流的流向，有效地延长了贴片表面电流的路径，从而降低了天线的谐振频率，对某一固定频率来说，能起到缩小天线尺寸的作用。

2 仿真结果

回波损耗是指在天线的接头处的反射功率与输入功率的比值，反映了天线的匹配特性。同时，较高的增益和良好的阻抗带宽也是天线设计的重要指标。本文设计的天线的仿真结果如图4和图5所示。

图4 小型化差分天线S11曲线

图5 小型化差分天线辐射方向图

图5显示天线具有较稳定的辐射，天线谐振频率为2.45 GHz，回波损耗约为－16.6 dB，阻抗带宽为18 MHz，增益约为7.15 dB。此外本设计的小型化差分天线口径面积为864.36 mm2，尺寸约为传统差分天线的67%。天线的主要指标基本满足天线的设计要求。

3 结束语

提出了一种应用于WLAN系统的小型化差分微带天线，该天线应用于无线局域网802.11b(2.4～2.48 GHz)系统中，采用差分馈电，相较单端天线拥有更好的性能。同时通过在差分天线贴片开槽来实现小型化，开槽后的天线尺寸约为传统差分微带天线的67%，有效地降低了差分微带天线的尺寸。仿真结果表明，天线的回波损耗约为－16.6 dB，增益约为7.15 dB，带宽约为 18 MHz，关键指标基本满足设计要求，设计的小型化差分微带天线具有很好的应用前景。

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