WIFI频段波束可切换开关天线的设计与实现

李晨楠+刘玉虎+傅世强

摘 要：提出一种基于单片机控制的波束可切换WIFI频段2.4 GHz开关天线。该天线基于微带偶极子天线的结构变形，通过两路天线同时工作使其在水平面上分别向六个方向呈60°辐射信号，实现均匀覆盖，并增加引向单元来进一步提高天线的方向性与增益。利用单片机数控微波二极管的通断，实现多波束辐射的灵活切换。仿真和实验结果表明，该天线的输入匹配良好，辐射特性明显增强，可用于无线路由器终端以提升无线局域网的性能和速度。

关键词：无线局域网 WIFI频段 波束切换 微带偶极子天线

中图分类号：TN82 文献标识码：A 文章编号：1674-098X（2016）07（c）-0089-02

无线局域网（Wireless Local Area Network，简称WLAN）是计算机网络与无线通信技术相结合的产物。WLAN是相当便利的数据传输系统，它通过射频技术，利用看不见的电磁波，取代了旧式冗长的双绞铜线所构成的有线局域网络，在空中进行无线通信连接。

天线处于WLAN无线通信系统最前端，其性能的好坏决定了整个系统的指标。影响WLAN信号的因素有很多，首当其冲的便是距离，其次则是障碍物的阻隔。为了获得较大的信号增益，并抑制低需求方向的信号强度，同时削弱对所需求方向造成的潜在干扰，故设计具有波束可调功能的定向天线具有重要意义。

1 天线结构设计与功能实现

图1为所设计的天线结构示意图，该天线单元采用微带偶极子变形结构，印制在普通FR4电路板的正反两个面上。正面为深黑色填充部分，由一个半径R1的中心铜片和其周围的六个通过尺寸为L2×W2的馈线连接的尺寸为L3×W3的辐射单元组成，六条馈线均通过微波二极管与中心铜片连接，每一条支路都利用单片机数控微波二极管的通断，来分别控制每路天线工作。辐射单元采用倾斜的微带偶极子结构来增大波束宽度，为了提高增益，在两路辐射单元前方加入了两个尺寸为L4×W4的引向单元，其作用是通过引向器集聚能量来提高天线的方向性。背面为浅灰色填充部分，反射单元为两条尺寸为L1×W1的V型微带条结构，使电磁波能量收敛在一定角度，来进一步提高天线增益。在背面中心截出一个半径为R2的环形孔，让半径为R3的馈电探针通过该孔与正面铜片实现匹配连接。利用80C52单片机控制数控微波二极管的通断，使天线的任意相邻两路同时工作，并以水平面60°角向外辐射，实现了360°任意方向的波束切换。通过改变辐射单元、反射单元和引向单元尺寸来优化其方向性和提高增益。

2 天线仿真和实验结果

利用专业的三维电磁场仿真软件HFSS对天线结构进行了大量的优化分析，最终获得的天线尺寸参数为：L1=28 mm，W1=4 mm；L2=50 mm，W2=2 mm；L3=20 mm，W3=3 mm；L4=33 mm，W4=3 mm；θ1=60°，θ2=30°；R1=3 mm，R2=1.2 mm，R3=0.5 mm。

仿真得到的天线输入匹配S11曲线如图2（a）所示，从图中可以看出，在整个2.4 GHz无线局域网WIFI频段内，天线输入匹配较好，S11曲线均低于-18 dB，并且在2.45 GHz附近达到最佳。图2（b）为两个单元天线同时工作的辐射方向性图曲线，通过仿真结果可以看出，该天线结构的方向性较好，增益可达5 dB，半功率波瓣宽度超过60°。为了验证设计方案的可行性，最终进行了天线的实物加工测试，如图3所示。利用矢量网络分析仪测试天线在WIFI频段驻波比小于1.5，实现了良好匹配，符合设计要求。

3 结语

基于微带偶极子天线的结构变形，提出一种基于单片机控制的波束可切换WIFI频段2.4 GHz开关天线。利用HFSS仿真软件对天线进行优化设计，并进行了实物加工和测试。仿真和实验结果表明，该天线的输入匹配良好，辐射特性明显增强，可用于无线路由器终端以提升无线局域网的性能和速度。

参考文献

[1] 殷勤业，张莹.无线局域网中的智能天线技术[J].电子学报，2004，32（12）：141-147.

[2] 解文军.小型化可控波束天线设计技术研究[D].成都：电子科技大学，2010.

[3] 蔡晓涛，具有多波束选择性的方向图可重构天线研究[D]. 天津：天津大学，2011.