一種寬頻帶天線方案

引言

　　近年來，隨著IEEE 802.11a(5.15～5.35GHz，5.725～5.825GHz)和IEEE 802.11b/g(2.4～2.483 5GHz)標(biāo)準(zhǔn)的提出，WLAN得到了迅猛發(fā)展.與此同時(shí)對(duì)WLAN天線的要求也越來越高，要求其體積小、重量輕、生產(chǎn)加工便捷、天線成本低廉，同時(shí)在功能上要求使用頻寬較寬以及有雙頻性能以同時(shí)達(dá)到IEEE 802.11a/b/g標(biāo)準(zhǔn)要求。所以，近年來對(duì)小型化的多頻段WLAN天線的研究大量涌現(xiàn)。

　　在平面單極子天線中，有一種倒L形平面單極子天線，國際上已經(jīng)對(duì)此進(jìn)行了研究，在理論模擬仿真上，可以同時(shí)滿足IEEE802.11a/b/g標(biāo)準(zhǔn)要求，其設(shè)計(jì)形式更簡單，在滿足帶寬的要求上，體積還可進(jìn)一步的縮小。所以，本文將在原來的微帶饋電的倒L平面單極子天線的基礎(chǔ)上，改變其饋電的形式，研制出一種共面波導(dǎo)饋電的倒L-U平面單極子天線。仿真和實(shí)測表明該天線在WLAN的三個(gè)頻帶范圍內(nèi)均具有很好的阻抗匹配和輻射特性。

　　1 倒L-U平面單極子天線的設(shè)計(jì)

　　1.1 天線分析與設(shè)計(jì)

　　WLAN天線形式有很多種，比如微帶天線，八木天線、平面單極子天線等等。選擇平面單極子天線的原因是，相對(duì)于微帶天線，其帶寬大;相對(duì)于八木天線，其體積小且容易共形。平面單極子天線與微帶天線的結(jié)構(gòu)不同在于：在金屬輻射貼片對(duì)應(yīng)的介質(zhì)襯底另一側(cè)的金屬地板被去除，也就是采用了部分地板結(jié)構(gòu)。微帶天線的帶寬低，因?yàn)槠銺值大，即在輻射板與地板之間儲(chǔ)存了大量的能量。平面單極子天線的輻射板的對(duì)應(yīng)地板去除了，加大了輻射電阻，輻射出去的能量也大大的增加，Q值變小，帶寬增大。選擇共面波導(dǎo)饋電的形式，將地板與輻射板共面，使得帶寬又增大了，而且結(jié)構(gòu)更緊湊。但是由于天線與共面波導(dǎo)之間缺少有效的隔離，造成天線性能受共面波導(dǎo)尺寸的影響較嚴(yán)重。

　　本文所設(shè)計(jì)的平面波導(dǎo)饋電(CPW-feed)的單極子倒L-L形天線如圖1所示，由于Length1的長邊過于長，使整個(gè)板子的面積較大，本文通過曲流技術(shù)中的折疊技術(shù)，將Length1的長邊又進(jìn)行了橫向折疊，如圖2所示，即共面波導(dǎo)饋電(CPW-feed)的平面單極子倒L-U形天線。折疊后的尺寸較之原先有了較大的縮減。

　　1.2 天線仿真結(jié)果分析

　　應(yīng)用Ansoft HFSS仿真軟件，對(duì)圖2所示的天線進(jìn)行仿真。根據(jù)文獻(xiàn)的設(shè)計(jì)經(jīng)驗(yàn)，饋線寬度選擇為3mm，介質(zhì)板采用了最為常用的FR-4，其相對(duì)介電常數(shù)為4.4，厚度為1.6mm。另外應(yīng)用軟件ApPCAD2.0，計(jì)算出共面波導(dǎo)饋電結(jié)構(gòu)的特性阻抗為50Ω時(shí)，饋線與地板之間的縫隙寬度約為0.6mm。

　　天線電流傳輸方向的長度可以通過公式估算，本文所設(shè)計(jì)的天線需滿足覆蓋兩個(gè)頻段的要求，其中一個(gè)頻段覆蓋2.4GHz，另一個(gè)頻段覆蓋5.2GHz和5.8GHz。因此本文選擇兩個(gè)中心諧振點(diǎn)頻率分別為2.45GHz和5.25GHz。根據(jù)計(jì)算可知對(duì)應(yīng)于2.45GHz的Length1= 29.15mm，對(duì)應(yīng)于5.25GHz的Length2=13.61mm。由圖2可知，Length1=W2+L2+L5/2應(yīng)約等于29.15mm，Length2=L4+L5/2需略大于13.61mm。為了使整體結(jié)構(gòu)緊湊、小型化、寬帶化，本文將對(duì)天線結(jié)構(gòu)中的個(gè)別參數(shù)對(duì)天線性能的影響做仿真分析并加以比較。

　　本文通過分析地板寬度W7、輻射貼片處的橫條寬度W3、輻射貼片與地板之間的縫隙W4、U形片的W2長度以及L形片的L4長度等幾個(gè)參數(shù)的變化對(duì)天線S11頻率特性的影響，經(jīng)過一系列的優(yōu)化對(duì)比，得出以下數(shù)據(jù)，如表1所示。優(yōu)化后仿真所得的天線的仿真性能參數(shù)S11，VSWR以及遠(yuǎn)區(qū)場的方向圖如圖3～圖7所示。