基于WLAN应用的非均匀弯折线单极子天线

0 引言
    弯折线结构在减小天线尺寸和改善天线带宽特性方面，已经成为现代天线设计的新热点。为了改善弯折线天线的性能，研究者针对不同的应用和特性要求，提出了多种改进结构，其中主要有双弯折线天线、折叠式弯折线天线、立体式弯折线天线、渐变式弯折线天线、行波弯折线天线和弯折线缝隙天线。
    本文提出一种背面带有耦合贴片的非均匀弯折线单极子天线。通过时域有限差分法，研究弯折线各弯折节的几何尺寸对天线谐振特性的影响，并对耦合贴片的作用进行了分析，最后得到一种频带覆盖IEEE 802．11b／g(2．4～2．484 GHz)和IEEE802．11a(5．15～5．35GHz，5．725～5．825 GHz)的双频天线，能够满足WLAN应用。

1 天线建模与结构参数分析
    非均匀弯折线的单极子天线结构如图1所示。基板选用Rogers4350B基板，厚度为0．762 mm，相对介电常数为3．48。为了分析方便，将辐射元分成了3段；天线的馈电采用了50 Ω的微带线。

1．1 弯折节几何参数对天线性能的影响
    依次改变各弯折节的线长Ln(n=1，2，3)和线宽Wn(n=1，2，3)，计算出天线的第一谐振频率f1和第二谐振频率f2。通过比较f2／f1的变化来研究各弯折节几何参数对天线谐振特性的调节作用。
    图2示出了天线f2／f1随各弯折节线长Ln的变化情况。图2中，W=58 mm，L=38 mm，LG=17 mm，HB=3 mm，S1=S2=S3=1 mm，W1=W2=W3=2mm。

    图2(a)～图2(f)显示了几乎相同的变化趋势。随着弯折节线长Ln的增加，f2／f1逐渐减小，两个谐振模式相互靠近。改变弯折线天线中各弯折节的线长，可以实现对第一和第二谐振模式的调整。
    图3给出了天线f2／f1随着各弯折节线宽Wn的变化情况。图3中，W=58 mm，L=38 mm，LG=17 mm，HB=3 mm，Sl=S2=S3=1 mm，L1=L2=L3=5 mm。与图2中随弯折节线长Ln的变化相比，f2／f1随弯折节线宽Wn的变化较为复杂。

    图3(a)显示了当W2=1 mm时，天线f2／f1随着W1的变化情况。可以看出，随着W1的增加，f2／f1逐渐减小，两个谐振频率逐渐靠近，并且在不同的W3下几乎保持着几乎相同的减小速率。
    图3(b)显示了W3=1 mm时，天线f2／f1随W1的变化情况。可以看出，随着W1的增加，f2／f1逐渐减小，但随着W2的增大，f2／f1减小的速率逐渐变小，最后几乎保持不变。
    图3(c)显示了W1=2 mm时，天线f2／f1随W2的变化情况。在W3较小时，随着W2的增加，f2／f1先是呈现增大趋势；而后，当W3增大到某一值时，f2／f1几乎不随W2的变化而变化；最后，随着W3的继续增大，f2／f1又呈现减小趋势。
    图3(d)显示了W3=2 mm时，天线f2／f1随W2的变化情况。可以看出，在W1较小时，f2／f1先是呈现减小趋势；而后，当W1增大到某一值时，f2／f1几乎不随W2的变化而变化；最后，随着W1的继续增大，f2／f1又呈现增大趋势。
    图3(e)显示了W1=1 mm时，天线f2／f1随W3的变化情况。随着W3的增加，f2／f1逐渐增加，并且随着W2的增加，f2／f1增加速率逐渐减小。
    图3(f)显示了W2=1 mm时，天线f2／f1随W3的变化情况。随着W3的增加，f2／f1逐渐增加，并且在不同的W1取值下，基本保持相同的增加速率。
    弯折线的线宽对天线f2／f1的影响，可以理解为改变弯折节的线宽就改变了第一和第二谐振模式的辐射电流分布状态，进而改变这两个模式下辐射元的有效电长度，就造成了f2／f1的变化。W1和W3的作用正好相反，随着W1的增加，f2／f1减小；随着W3的增加，f2／f1增加；W2的作用正还处在W1和W3之间。根据上面的讨论可以得到，改变弯折线中天线各弯折节的线宽，可以实现对f2／f1的调整。
1．2 耦合贴片几何参数对天线性能的影响
    图4(a)显示了耦合贴片的宽度(WB)分别取5 mm，7 mm，9 mm，11 mm和13 mm时，天线的回波损耗仿真曲线。耦合贴片的宽度对天线谐振性能的影响主要集中在高频段。随着耦合贴片宽度的增加，由耦合贴片产生的谐振模式匹配特性变好，同时本征高次模式向低频移动并逐渐消失。

    图4(b)显示了耦合贴片长度(LB)分别取7 mm，9 mm，11 mm，13 mm和15 mm时，天线的回波损耗仿真曲线。随着耦合贴片长度的增加，天线的最低谐振模式向低频移动，同时匹配特性变好，但是阻抗带宽减小。对于高频段，当LB的取值小于9 mm时，耦合贴片产生的谐振模式并没有出现，出现这种情况的原因可能是由于耦合贴片产生的谐振模式与本征高次模式重合。随着LB继续增加，耦合贴片产生的谐振模式出现并向低频方向移动，同时高频段的两个模式渐渐远离。
    图4(c)显示了耦合贴片距接地板高度(HB)分别为1 mm，2 mm，3 mm，4 mm和5 mm时，天线的回波损耗仿真曲线。从图中可以看出，所有谐振模式都向低频方向移动。当耦合贴片距接地板高度为2～3 m之间时，高频段出现两个谐振模式；随着耦合贴片距接地板高度继续增加时，高频段的两个谐振模式远离，同时匹配特性变差。
    从上面的讨论可以得到，耦合贴片对天线性能的影响主要集中在高频段。合理选择耦合贴片的几何尺寸和距接地板的高度，可以在不影响天线第一谐振模式的基础上，改善第二谐振模式的匹配特性，并扩展阻抗带宽。

2 天线实际测试结果
    在综合考虑阻抗带宽和辐射特性的基础上，得到了以下的最优化天线几何参数，其中L=29 mm，L1=6 mm，L2=6 mm，L3=6．5 mm，W1=3 mm，W2=1 mm，W3=2．5 mm，S1=S2=S3=1 mm，LB=11 mm，WB=9 mm，WG=26 mm，HB=3 mm，LG=7 mm，LMS=10 mm。天线实物如图5所示。

    图6示出了非均匀弯折线单极子天线的回波损耗曲线。从图中可以看出，仿真结果与实际测试结果比较吻合。低频段测得的阻抗带宽(S1-1<-10 dB)约为O．5 GHz(2．2～2．7 GHz)；高频段实际测得的阻抗带宽(S11<-10 dB)约为1．8 GHz(4．48～6．28 GHz)。图7(a)～(c)分别示出了非均匀弯折线单极子天线在2．442 GHz，5．25 GHz和5．775 GHz时的增益图，增益分别为0．7 dBi，1．65 dBi和2．3 dBi。

3 结语
    提出一种背面带有耦合贴片的平面非均匀弯折线单极子天线，通过改变弯折线各弯折节的几何尺寸来调节弯折线天线中第一和第二谐振频率的相对位置，达到双频可调的目的；通过背面耦合贴片来改善弯折线天线高次谐振模式的谐振特性，最后设计出一种频带覆盖IEEE 802．11b／g(2．4～2．48 GHz)和IEEE 802．11a(5.15～5.35GHz，5．725～5．825 GHz)的双频弯折线单极子天线，在2．442 GHz，5．25 GHz和5．775 GHz的增益分别为0．7 dBi，1．65 dBi和2．3 dBi，能够满足WLAN应用。