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工作于2.4 GHz/5.2 GHz双频段微带缝隙天线的设计

2011-03-15章坚武王锦璇

电视技术 2011年11期
关键词:微带线微带馈电

章坚武,王锦璇,叶 霓

(杭州电子科技大学 通信工程学院,浙江 杭州 310018)

0 引言

近年来,随着短距离无线接入技术及无线局域网技术的迅速发展,从频谱资源分配上来看,原有的802.11b(2.402~2.480 GHz)协议中的带宽和传输速率是非常有限的,已经不能满足如今数据通信的要求,因此,能够兼容频率更高、频谱资源更为充裕的802.11a(5.15~5.35 GHz)协议是WLAN发展的必然趋势[1-2]。部署能兼容IEEE 802.11a和IEEE 802.11b规范的多模式无线网络将是社会和市场发展的需要,而同时具有802.11a和802.11b 2个版本功能的WLAN将需要1个双频带的无线电发射机或2个单频带的无线电发射机,分别应用于2.4 GHz频带和5.2 GHz频带。当使用2个单频带的无线电发射机势必会占有通信设备更大的物理空间,这与移动终端小型化的趋势不符,这时就要求无线电发射机使用能够双频工作的天线,所以研发能够在无线局域网上实现双频工作的天线显得尤为重要。

笔者研究的主要内容就是尽可能发挥微带天线本身体积小,易于实现双频工作等优点,设计出能够工作在WLAN网络上的小型双频微带天线[3-4],谐振频率分别为2.4 GHz和5.2 GHz,工作带宽分别要包括2.402~2.483 GHz和5.15~5.35 GHz 2个频段。下面将具体介绍设计过程。

1 天线的结构和工作原理

图1给出了微带缝隙天线的基本结构图与等效电路图。输入阻抗由辐射电阻R和电抗X串联组成。当缝隙天线谐振于设计频率上,输入阻抗的电抗为0。对低介电常数的基片,偏心馈电缝隙天线的谐振长度在0.4λ~0.5λ之间,它取决于介质材料、缝宽和馈电位置。

笔者对传统微带缝隙天线所加载的缝隙形状进行了修改,希望设计出能很好工作在WLAN的2个频段上的天线。这里,天线的介质材料采用的是介电常数εr为2.55的四氟聚乙烯高频板,而介质基板的厚度h则调整为1.2 mm。此缝隙天线的具体结构如图2所示,介质基板的上面是载入缝隙的接地面,而另一面则是微带线。

微带线被设计与50 Ω的传输线匹配,微带线的宽度可由式(1)得到[6]

图2 微带缝隙天线结构图

由图3可见,此天线的结构与一般的缝隙天线的结构非常类似,都是在天线的地板面上刻蚀缝隙槽,在介质基板的另一面上刻蚀的是微带线,只是这里的缝隙槽形状比较新颖,它是在一条水平槽的两端分别又加载了2个倒U型槽,从而使天线实现了双频工作特性。

2 天线仿真与结果分析

在天线的设计过程中,利用仿真软件对天线进行仿真分析是必不可少的步骤。这里,为了比较天线的主要参数对谐振频率及阻抗带宽的影响,以及明确天线的辐射机理,采用基于有限元法的高频仿真软件HFSS v10.0对天线的各个主要参数进行了仿真分析。

首先,对天线微带线的馈电位置的不同进行仿真比较,主要比较了采用中心馈电和偏心馈电2种情况,所获的天线回波损耗如图4所示,当天线选择中心型馈电时,由于缝隙相对于微带线是对称的,所以天线只在单频段产生谐振,工作带宽为2.31~2.43 GHz(回波损耗<-10 dB)。而当天线选择偏心型馈电时,由于缝隙相对于微带线是不对称的,这就相当于天线有2个不同长度的缝隙受到激励,产生辐射,从而使天线实现了双频段工作,工作频段为2.40~2.57 GHz和5.12~5.36 GHz,这2个频段都包含了WLAN的工作频段(2.402 0~2.483 5 GHz,5.150~5.350 GHz)。

其次,研究了加载的U型槽的长度Ls对天线的辐射特性的影响,如图5所示,在其他参数相同的情况下,随着U型槽的支臂长度Ls的增加,天线在高、低频段上的谐振频率都是逐渐减小的,只是天线在低频段的谐振频率的偏移较小,而在高频段的谐振频率的偏移比较大。当天线地面上的U型槽支臂的长度Ls为7.9 mm时,天线获得了较好的双频工作带宽(低频段为2.40~2.57 GHz,高频段为5.12~5.36 GHz)。

最后,研究了天线加载的缝隙宽度对天线的辐射特性的影响。这里,选择三种方案研究槽的宽度对谐振频率的影响大小,仿真结果如图6所示。当所有加载的槽宽度都为1 mm或1.2 mm时,以及当U型槽的宽度为1 mm,而底槽宽为1.2 mm时,分别比较仿真了天线的回波损耗。由结果可知,缝的宽度变化对天线的低频段的谐振频率和带宽影响较小,而对高频段的谐振频率和宽度影响较大,综合比较谐振频率和带宽,可知,当其他的槽宽度为1 mm,而底槽宽为1.2 mm时,天线仿真的结果较理想。

图6 天线的槽宽对工作频段的影响

最终得到所设计的WLAN天线的主要尺寸参数如表1所示。

表1 天线的尺寸参数

3 天线的制作与实测

为了验证所设计的微带缝隙天线的性能,实际加工制造了天线实物,并使用S参数矢量网络分析仪(安捷伦8753ES)对其性能进行了实测。依据图3所示的天线架构和表1所给出的尺寸,在双面敷铜的介质基板上蚀刻而成天线实物,中间的介质基板选择介电常数为2.55的聚四氟乙烯高频板。天线实物照片如图7所示。

对天线实测得到的回波损耗和电压驻波比分别如图8和图9所示。图8所示的是天线回波损耗的实测值和仿真值的比较。由于天线跨越的频段范围较大,对天线在高/低频段分别进行了测量。测试得到的天线在低频段(2.4 GHz)的工作频段为 2.365~2.515 GHz,包含WLAN的IEEE 802.11b协议中的2.402 0~2.483 5 GHz频段范围。在高频段(5.2 GHz)测得的工作频段为5.08~5.38 GHz,包含了WLAN的IEEE 802.11a协议中的5.15~5.35 GHz频段范围。另外,由图9所示天线的电压驻波比(VSWR)可知,在天线的2个工作频段,VSWR都小于2,说明天线在这2个频段的匹配情况基本良好,基本满足天线的设计要求。与文献[7]中的2.4 GHz/5.2 GHz的WLAN天线(尺寸为80 mm×45 mm)相比较,天线的尺寸得到很大的缩减,但谐振频率和带宽都得到了较好的保证。

图10和图11分别为天线在2.4 GHz和5.2 GHz的实测方向图,可以看出在2个频率点天线的YZ面都有较好的全向辐射,在XZ面出现了个别旁瓣,但其增益仍然满足实用的要求。

4 小结

笔者设计了一款新型微带缝隙天线,并利用仿真软件HFSS对天线进行了仿真分析优化,最终结果显示,天线在WLAN的高/低频段都得到了很好地匹配,并获得了较好的带宽(低频段为2.40~2.57 GHz,高频段为5.12~5.36 GHz)。最终加工制作了天线实物,并对其进行了测试,通过对实测结果与仿真结果的比较分析,较为理想,天线在低频段(2.4 GHz)获得的工作频段为2.365~2.515 GHz,其包含了WLAN的IEEE 802.11b协议中的2.402 0~2.483 5 GHz频段范围;在高频段(5.2 GHz)测得的工作频段为5.08~5.38 GHz,其包含了WLAN的IEEE 802.11a协议中的5.15~5.35 GHz频段范围。另外,该天线体积较小,并且制作简单,适合应用在笔记本式计算机、无线路由器等移动终端上,所以有较好的实用价值。

[1]段永福.无线局域网(WLAN)设计与实现[M].杭州:浙江大学出版社,2007:46-57.

[2]顾晓亮,郑恒瑞.无线局域网技术标准的比较[J].中国数据通信,2004,6(9):68-72.

[3]王洪林.微带电视频道天线设计和实物测试[J].电视技术,2000,24(9):52-55.

[4]王文山,冯绍福.四层圆环天线设计及应用[J].电视技术,2002,26(5):92-93.

[5]鲍尔,布哈迪亚.微带天线[M].梁联倬,寇廷耀,译.北京:电子工业出版社,1984:1-195.

[6]KHUNEAD G,NAKASUWAN J,SONGTHANAPITAK N,et al.Investigate rectangular slot antenna with L-shaped strip[EB/OL].[2010-10-09].http://piers.org/piersonline/pdf/Vol3No7Page1076to1079.pdf.

[7]YEH S H,WONG K L.Dual-band F-shaped monopole antenna for 2.4/5.2 GHz WLAN application[C]//Proc.IEEE Antennas and Propagation Society International Symposium.[S.l.]:IEEE Press,2002,4:72-75.

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