应用于WLAN的宽频带天线设计

摘要：为了设计出可以覆盖无线局域网WLAN的2．4 GHz，5．2 GHz，5．8 GHz三个频带的天线，采用一种结构简单的宽带双频共面波导馈电的单极子天线。该天线由一个平面倒L形和一个倒U形贴片连接构成，实际加工制作了一个天线并且实测了S11参数，结果表明该天线具有两个独立的谐振模式，并且在应用范围内具有良好的阻抗匹配特性。
关键词：共面波导馈电；无线局域网；双频段天线；宽频带

0 引言
    无线局域网WLAN(Wireless Local Area Network)是利用无线技术实现快速接入以太网，是无线通信技术与计算机网络相结合的产物，是对有线局域网的一种补充和扩展。和有线网络相比，WLAN具有可移动性、灵活性、更迅速、费用低、网络可靠性高等优势。近年来，随着IEEE 802．11a(5．15～5．35 GHz，5．725～5．825 GHz)和IEEE 802．11b／g(2．4～2．483 5 GHz)标准的提出，WLAN得到了迅猛发展．与此同时对WLAN天线的要求也越来越高，要求其体积小、重量轻、生产加工便捷、天线成本低廉，同时在功能上要求使用频宽较宽以及有双频性能以同时达到IEEE 802．11a／b／g标准要求。所以，近年来对小型化的多频段WLAN天线的研究大量涌现。
    在平面单极子天线中，有一种倒L形平面单极子天线，国际上已经对此进行了研究，在理论模拟仿真上，可以同时满足IEEE802．11a／b ／g标准要求，其设计形式更简单，在满足带宽的要求上，体积还可进一步的缩小。所以，本文将在原来的微带馈电的倒L平面单极子天线的基础上，改变其馈电的形式，研制出一种共面波导馈电的倒L-U平面单极子天线。仿真和实测表明该天线在WLAN的三个频带范围内均具有很好的阻抗匹配和辐射特性。

1 倒L-U平面单极子天线的设计
1．1 天线分析与设计
    WLAN天线形式有很多种，比如微带天线，八木天线、平面单极子天线等等。选择平面单极子天线的原因是，相对于微带天线，其带宽大；相对于八木天线，其体积小且容易共形。平面单极子天线与微带天线的结构不同在于：在金属辐射贴片对应的介质衬底另一侧的金属地板被去除，也就是采用了部分地板结构。微带天线的带宽低，因为其Q值大，即在辐射板与地板之间储存了大量的能量。平面单极子天线的辐射板的对应地板去除了，加大了辐射电阻，辐射出去的能量也大大的增加，Q值变小，带宽增大。选择共面波导馈电的形式，将地板与辐射板共面，使得带宽又增大了，而且结构更紧凑。但是由于天线与共面波导之间缺少有效的隔离，造成天线性能受共面波导尺寸的影响较严重。

    本文所设计的平面波导馈电(CPW-feed)的单极子倒L-L形天线如图1所示，由于Length1的长边过于长，使整个板子的面积较大，本文通过曲流技术中的折叠技术，将Length1的长边又进行了横向折叠，如图2所示，即共面波导馈电(CPW-feed)的平面单极子倒L-U形天线。折叠后的尺寸较之原先有了较大的缩减。
1．2 天线仿真结果分析
    应用Ansoft HFSS仿真软件，对图2所示的天线进行仿真。根据文献的设计经验，馈线宽度选择为3 mm，介质板采用了最为常用的FR-4，其相对介电常数为4．4，厚度为1．6 mm。另外应用软件ApPCAD2．0，计算出共面波导馈电结构的特性阻抗为50 Ω时，馈线与地板之间的缝隙宽度约为0．6mm。
    天线电流传输方向的长度可以通过公式估算，本文所设计的天线需满足覆盖两个频段的要求，其中一个频段覆盖2．4 GHz，另一个频段覆盖5．2 GHz和5．8 GHz。因此本文选择两个中心谐振点频率分别为2．45 GHz和5．25 GHz。根据计算可知对应于2．45 GHz的Length1= 29．15 mm，对应于5．25 GHz的Length2=13．61 mm。由图2可知，Length1=W2+L2+L5／2应约等于29．15 mm，Length2=L4+L5／2需略大于13．61 mm。为了使整体结构紧凑、小型化、宽带化，本文将对天线结构中的个别参数对天线性能的影响做仿真分析并加以比较。
    本文通过分析地板宽度W7、辐射贴片处的横条宽度W3、辐射贴片与地板之间的缝隙W4、U形片的W2长度以及L形片的L4长度等几个参数的变化对天线S11频率特性的影响，经过一系列的优化对比，得出以下数据，如表1所示。优化后仿真所得的天线的仿真性能参数S11，VSWR以及远区场的方向图如图3～图7所示。

    由上述可知，该共面波导馈电的平面单极子倒L-U天线具有高阻抗带宽、小型化的显著特点，其在-10 dB处的阻抗带宽有两段，分别为2．36～2．58 GHz和3．62～5．96 GHz，前一段的相对带宽为8．9％，后一段的相对带宽为48．9％，覆盖了WLAN的工作频带。

2 天线的制作与测试结果
   天线实物如图8所示。

    参数S11仿真与实测结果对比图，如图9所示，可以看出，实测结果与仿真结果对比在高频段有较大的偏差，低频段较为吻合。

3 误差分析
    由实验测试结果可以看出，实际制作的WLAN宽频带天线的回波损耗与HFSS仿真软件的模拟结果存在一定误差。以下从五个方面分析造成误差的原因。
    (1)对于介电常数而言，高介电常数基板的关键参数是εr，因此准确的测定εr，是非常必要的；制作时所选用的基板的介电常数较低，影响其谐振频率的关键性参量是天线辐射贴片Length1和Length2的长度误差△L。而用共面波导馈电的方式(CPW-feed)，地板大小的误差也是影响谐振点和带宽的关键参量。在使用HFSS仿真时发现，天线贴片几何尺寸的微小变化引起了仿真结果比较大的变化。所以，制作天线过程中贴片的微小误差，对结果会产生较为严重的影响。
    (2)SMA接头处焊接不良、接口处有能量损耗等因素也是带来误差的原因。在测过多个焊接好SMA接头的天线时发现，测得的结果总会有一定的不同。
    (3)阻抗不匹配。由于共面波导馈电端口的特性阻抗受介电常数和贴片厚度影响，仿真时，贴片厚度是0．1 mm，计算得到的特性阻抗为50．2 Ω，而实际贴片厚为0．035 mm，计算得到的特性阻抗为56．1Ω，与SMA接口50 Ω不完全匹配。
    (4)从软件的角度来分析，基于数值分析方法的HFSS软件本身只能提供数值解，且受设定的运算精度的限制，仿真结果与实际情况间必然存在误差，这种误差是不可避免的。
    (5)实验室测量方法、仪器、环境也是带来误差的原因。在测天线时发现，当天线放在不同的位置，测得的数据不一样；当用两个不同的分析仪测量时，结果也不一样；在微波暗室中，墙壁吸波不完全，同时也不能完全隔绝外界杂波。

4 结语
    本文根据常见的倒L平面单极子天线进行改进，设计了一款共面波导馈电(CPW-feed)的平面单极子倒L-U形天线。并通过仿真设计其总体尺寸为22 mm×35 mm，达到小型化的目的。根据仿真，天线-10 dB阻抗带宽为2．36～2．58 GHz，相对带宽为8．9％和3．62～5．96 GHz，相对带宽为48．9％，满足了WLAN的频段要求。