新型WLAN平面倒F双频天线的设计

l 引 言
    随着IEEE 802．1la(5．15～5．35 GHz，5．725～5．825 GHz)和IEEE 802．11b／g(2．4～2．48 GHz)标准的提出，无线局域网(WLAN)通信技术得到了迅猛的发展。与此同时，对WLAN天线的需求也逐步增多。无论是手机，微型计算机，个人电脑的无线网卡还是各种各样的远程感应设备，都需要体积小、重量轻的小型化天线。同时，为了适应各种复杂的环境，还要求天线具备良好的全向性能。
    平面倒F天线(PIFA)是一种具有水平和垂直两种极化特性的天线，具有小型化、结构紧凑便于内置、加工制作简单、成本低，且后向辐射小、比吸收率(SAR)值低等特点，因而在目前的移动通信系统，尤其是移动终端中被广泛采用。在PIFA天线贴片上加载缝隙结构可以实现双频或多频功能。缝隙的形状由传统的矩形槽演变成特性更好的U形，L形，E形等。在形状多样化的同时，PIFA天线的功能也日益多样化，其中应用于无线局域网的PIFA天线已成为当今研究的热点。文献提出了一种可以内置在软件狗中的PIFA，应用频段在2．3／5．5GHz，阻抗带宽分别为840 MHz和1 010 MHz，但是天线增益相对较小，在低频部分(1．88～2．75 GHz)为1.3～2．5 dBi，在高频部分(4．89～5．9 GHz)为3．1～4．5 dBi。
    文献提出了一种通过加载谐振单元来减少双频自耦合现象的无线局域网天线，但在5．2 GHz的阻抗带宽为310 MHz，相对较窄，不能完全覆盖5．15～5．825 GHz的WLAN频段。
    本文提出了一种新型的F形槽双频平面倒F天线，并通过加载阶梯形槽有效增大了天线的阻抗带宽，在蓝牙频段阻抗带宽达到300 MHz(2．21～2．51 GHz)，在无线局域网频段阻抗带宽达到1 070 MHz(4．95～6．02 GHz)，能够完全覆盖IEEE 802．1la和IEEE 802．1lb／g相对应的工作频段。该天线结构紧凑，天线高度为7 mm，可以方便地植入无线通信设备中，有较强的实用性。天线具有良好的全向性能，满足无线网卡全向天线的要求。天线的增益在低频部分(2．2l～2．51 GHz)达到3．1～3．6 dBi，在高频部分(4．95～6．02 GHz)达到6．1～6．7 dBi。

2 天线结构与参数分析
    天线的结构如图l所示，辐射贴片和地板均由厚度为O．2 mm的铜片制成。地板的尺寸为47．5 mm×20 mm，辐射贴片的尺寸为27．5 mm×11 mm×7 mm。辐射贴片与地板之间不存在除空气以外的其他介质，贴片由短路针和同轴馈电结构共同支撑。馈电方式采用50Ω同轴直接馈电。天线的阻抗匹配可以通过调节馈电点和短路针的位置来实现。在不减弱天线辐射性能的前提下，为了使天线可以方便地植入系统内部，本文采取开一个“F”型槽来增加天线的电长度，从而满足天线的小型化要求，增加天线的带宽。如图1(a)所示，整个辐射贴片被短路针分成了两个辐射单元：从馈点到短路针部分的电流路径A和从短路针到贴片开路端部分的电流路径B。这两个辐射单元决定着天线的谐振频率，可以由以下公式近似计算：

 这里，c为真空中光速，l和w为辐射单元的长度和宽度，f0为辐射单元的谐振频率。通过计算，我们取路径A的长度约为12 mm，使其谐振在5．5 GHz频段；取路径B的长度约为32 mm，使其谐振在2．4 GHz频段。
    采用Ansoft公司的电磁仿真软件HFSS 10．0对天线进行仿真。通过调节短路针的位置L1以及辐射贴片开路端的长度L4使天线谐振在2．4／5 GHz蓝牙和无线局域网频段。由图1(a)可知，在固定L4不变的情况下(取L4=16 mm)，以ra为基准线，改变短路针的位置L1会同时改变电流路径A和电流路径B的长度。当减小L1的长度时(L1=10 mm)，路径B的长度变长，如图2所示，低频段向左移动。与此同时，路径A的长度变短，高频段向右移动。当L1变长时(L1=14 mm)，则得到相反的结果。相似的原理，在固定L1不变的情况下(取L1=12 mm)，以rb为基准线，调节L4的长度改变了低频部分的电流长度，而高频部分的电流长度保持不变，如图3所示。综上可知，路径B和路径A分别控制着2．4 GHz和5 GHz频段。最终仿真优化的结果取L1=12 mm，L4=16 mm。

调试完两个谐振频率点后发现：低频部分的带宽相对较窄，因此，在控制低频的辐射单元处加载阶梯形槽。由于多节匹配传输线结构能够实现宽带匹配，所以这种阶梯形结构能够较容易的实现天线带宽的展宽。如图4所示，在加载了阶梯形槽后带宽有了较明显的展宽。

3 天线测试
    对天线进行实际加工来证明设计的有效性。其最终尺寸为：L=47．5 mm，W=20 mm，L1=12 mm，L2=6 mm，L3=5 mm，L4=16 mm，L5=10 mm，L6=3 mm，L7=27．5 mm，W1=2 mm，W2=1 mm，W3=2 mm，W4=1．5 mm，W5=2．5 mm，W6=5 mm，W7=11 mm，W8=6 mm，H=7 mm，R=0．5 mm。
    采用安捷伦公司的8722ES网络分析仪进行测试，测试得到的两个谐振频率点分别为：2．4 GHz和5．5 GHz，阻抗带宽分别为300 MHz(2．21～2．51 GHz)大约为12．50％和1 070 MHz(4．95～6．02 GHz)大约为19．51％。图5是回波损耗的测试结果与仿真结果的比较，可见，二者吻合良好。该天线在两个工作频段上的辐射方向图分别如图6和图7所示，可见天线具有较好的全向性能，能够满足无线局域网天线的要求。如图8所示，所设计天线的增益在低频部分(2．21～2．51 GHz)达到3．1～3．6 dBi，变化范围在0．5 dBi以内，在高频部分(4．95～6．02 GHz)达到6．1～6．7 dBi，变化范围在O．6 dBi以内。

4 结 语
    本文提出并设计测试了一种新型小型化双频平面倒F天线，该天线设计简洁、灵活，在选定开槽位置后，只需通过调节短路针位置L1和开路端长度L4即可方便调节两个谐振频率。通过加载阶梯形槽使天线具备较大的阻抗带宽，可完全覆盖2．4／5 GHz频段，以满足无线局域网对双频天线的要求。此外，该天线体积小、成本低、馈电方便，有较好的全向辐射特性和较高的增益，适用于目前的无线通信系统，具有广阔的应用前景。