WLAN频段印刷全向天线设计研究

汤慰

摘 要：本文以印刷串馈偶极子天线为核心，通过天线设计、仿真检测及检测结果分析，实现WLAN频段印刷全向天线设计，强化其全向性，促进WLAN频段印刷全向天线的应用，并为相关研究人员提供一定的借鉴和帮助。

关键词：宽频带天线；印刷全向天线；串馈偶极子天线

中图分类号：TN820 文献标识码：A 文章编号：1003-5168（2018）05-0056-02

Study on the Design of WLAN Band Printed Omnidirectional Antenna

TANG Wei

（Sichuan Jiuzhou Electric Appliance Refco Group Ltd，Mianyang Sichuan 621000）

Abstract： This paper taken printing series feed dipole antenna as the core， through the antenna design， the simulation and the analysis of the result， realized the design of WLAN full directional antenna， strengthened its omnidirectional， promoted the application of WLAN full directional antenna， and provided some reference and help for relevant researchers.

Keywords： broadband antenna；printing omnidirectional antenna；serial feed dipole antenna

现阶段，全向天线主要应用于移动通信基站、广播电视或是车载台领域。在实际应用中，印刷串馈偶极子天线容易加工，生产成本较低，可以和有源器件进行连接集成，可以被大量应用于广播或是组件无线网络通信中。但就当前而言，以细振子臂为核心的印刷天线带宽普遍过窄，限制了印刷天线的应用，再加上自身几何结构不对称，综合作用低下，降低了天线全向性，达不到理想的应用效果。基于此，探究WLAN频段印刷全向天线设计具有非常重要的现实意义。

1 WLAN频段印刷全向天线设计

分析当前以细振子臂为核心的印刷天线的应用局限性，为了提高天线的全向性，在实际设计时，以WLAN802.11、802.11b/g/n协议为适用指标，设计2.4GHz频段印刷全向天线，选择平行双线串联馈电，以偶极子作为辐射单元，和抗阻变换器进行阻抗匹配。在选择宽臂偶极子时，通过降低偶极子阻抗控制频率变化幅度，就可以有效缓解天线几何结构不对称造成的不利影响。

1.1 平行双线馈电

在设计印刷全向天线时，选择平行双线对印刷偶极子单元进行馈电，使得天线特性阻抗Z0可约等于介质厚度减半，在线宽一致的情况下，微带线特性阻抗为Z1。微带线和平行双线电场示意图如图1所示。其中（b）的介质板上下两侧设置宽度为W的两条金属带，这两条金属带中电流相位差距约为180°，且相反方向。在实际运行中，平行双线结构是微带线电镜像，设计人员根据相关计算公式明确线宽，使平行双线达到最佳馈电效果[1]。

1.2 串馈偶极子天线

一般情况下，印刷全向天线要在介质基板上，其中介质基板的介电常数是2.65，厚度是1mm，中心频率是2.4GHz。在实际运行过程中，设计人员可以借助平行双线进行串联馈电，构建二元直线阵，将辐射单元间距设计为中心频率介质波长，使得两个相同的辐射单元可以同向馈电，在各单元和阵轴垂直的方向上，单元辐射场无波程差，各单元场可以同相相加，达到最大值后，构成二元边射阵，提高天线的全向性。从微观角度看，天线辐射单元设计呈互补对称结构，使得偶极子辐射单元分别位于介质板的两侧，形成双面印制，上下两个振子臂可以借助金属化过孔相连，形成几何结构对称的印刷全向天线。

在应用该天线的过程中，介质板上下的振子臂以寄生结构运行，通过振子间不断耦合，增加带宽，弥补传统印刷天线的缺陷和不足，提高天线的全向性。通过天线辐射单元中双振子对称结构，可以有效提高振子臂实际宽度，减缓振子天线输入抗阻隨频率的变化，进而提升抗阻带宽。设计人员保证两个辐射单元结构和参数尺寸的统一性，根据计算得知，辐射单元振子臂总长是工作频率中自由空间波长的1/2左右。但在实际天线设计中，考虑到介质对天线的影响，振子臂长要比自由空间波长的1/2要小一点，符合天线设计要求，完成设计任务[2]。

1.3 天线增益设计

全向天线特指水平方向上可以达到360°均匀辐射，即为无方向性，在垂直方向上表现为有一定宽度的波束。一般情况下，波瓣宽度越小，增益越大。全向天线在移动通信系统中适用于郊县大区制的站型。在实际设计中，预设天线单元增益是12dB，半波对称振子天线增益则为2dB。参考天线基础理论，列出公式：

[Gain=Ge+Ga] （1）

其中，[Gain]代表天线单元增益，[Ge]代表对称振子天线增益，[Ga]代表天线列阵增益。由此得出天线阵列增值设计是10dB[3]。

为了实现阵列要求，设计人员要结合工程实现情况进行综合考虑，以等间距均匀激励边射阵为主，使得N元边射阵方向系数设计为：

[D=N2N+2m-1N-1N-mmkdsinmkd] （2）

其中，d代表阵元间距，k代表自由空间波数。由此可计算得出增益单元间距。

2 WLAN频段印刷全向天线仿真测试

在仿真测试中，考虑实际工程中使用的同轴电缆馈线，形成部分耦合效应，整体输入阻抗特性与单独工作存在差异。在理论分析的基础上，要借助设计参数，使用成熟的仿真软件来辅助设计工作，得到设计成效。

2.1 抗阻带宽测试结果

为了测试WLAN频段印刷全向天线的应用效果，设计人员要对串馈偶极子天线开展仿真测试，当天线处于2.12～2.61GHz频带时，电压驻波比在2以下的带宽是20%；当天线处于2.19～2.56GHz频带间时，电压驻波比在1.5以下，其宽带是15%，此时阻抗带宽为最佳水平。

2.2 天线结构测试结果

在天线结构测试中，当天线处于2.4GHz的情况下，设计人员分别对互补对称结构天线和非互补对称结构天线进行测试，对比二者H面方向检测结果可知：非互补对称结构的天线在实际运行中，天线H面不圆度是2.1dB，而互动对称结构的天线H面不圆度是1.3dB，减少了0.8dB，应用效果最佳。

2.3 全向特性测试结果

明确天线最佳的电压驻波比、天线结构后，设计人员要从频带范围入手，对天线在2.3GHz、2.4GHz、2.5GHz频带工作时开展天线全向特性测试，结果显示：设计频段中天线水平面不圆度持续较低，证明本文所设计的天线具备极强的全向特性，满足应用标准。

3 WLAN频段印刷全向天线实物检测

为了明确WLAN频段印刷全向天线设计成效，在仿真检测的基础上，设计人员要开展实物检测工作，将设计好的天线加工成实物，右侧设计成天线正面，而左侧则是天线面，输入端SMA接头内导体连接天线正面输入端，同时内导体连接天线背面。对测得的天线电压驻波比进行研究可知，2.1～2.7GHz频段内，天线电压驻波比在2以下，其带宽为26%，实物检测结果优于仿真测试结果[4]。

4 结语

本文通过分析WLAN频段印刷全向天线设计，选择平行双线进行辐射单元串联馈电，构建二元边射阵，提高天线的全向性。与此同时，选择互补对称天线结构，使偶极子辐射单元分别位于介质板的两侧，连接两侧振子臂，增加带宽实际宽度，弥补传统印刷天线的缺陷和不足，提高天线的全向性。对设计完成的天线进行仿真测试，从抗阻带宽测试、天线结构测试、全向特性测试等方面入手，并根據设计制作实物，开展实物检测，结果显示：低于2的电压驻波比，其带宽是26%，阻抗带宽最佳，优于仿真测试结果，说明本文设计的天线具备极强的全向性，实现WLAN频段印刷全向天线设计的最终目标。

参考文献：

[1]商锋，隋志轶.WLAN频段印刷全向天线设计[J].西安邮电大学学报，2017（5）：11-14.

[2]黄睿哲.多频段平面印刷天线的研究与设计[D].西安：西安电子科技大学，2016.

[3]任学施.平面印刷天线分析与设计[D].西安：西安电子科技大学，2016.

[4]陈艺萱.双频水平极化全向印刷天线的研究[D].南京：南京理工大学，2018.