一种新颖的宽频带无线局域网天线设计

摘要：本文提出一种结构简单的、宽带双频、共面波导馈电的单极子天线，本天线采用50欧姆的SMA接头对其进行馈电，印刷集成在一个22×35mm2的介质基板上，覆盖了无线局域网(WLAN)的2．4-，5．2-，5．8-GHz三个频带，并且具有良好的阻抗匹配特性。此天线的低谐振模式在VSWR<2时的阻抗带宽为320MHz(2．38到2．70GHz)，满足了2．4-GHz WLAN工作频段(2．400-2．484GHz)；此外，天线的高谐振模式在VSWR<2时的阻抗带宽为2．480GHz(3．580到6．060GHz)，包含了5．2-GHz的HIPERLAN频段(5．150到5．350GHz)和5．8-GHz的WLAN频段(5．725到5．852GHz)。
关键词：共面波导馈电；无线局域网；双频段天线；宽频带；低剖面

0 引言
    近年来，随着无线通信和移动通信技术的发展，移动终端设备使用越来越广泛，无线局域网(WLAN)技术也广泛应用在笔、手机、手持终端、汽车中。随着IEEE802．11 a(5．15～5．3 5GHz，5．725～5．825GHz)和802．11b／g(2．4～2．4835GHz)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。
    无线系统都是用来传输高速数据的，即要求天线具有很高的带宽。同时随着电路集成度的提高，系统对天线的体积有着苛刻的要求，物理空间的限制成为系统设计必须考虑的重要因素。随着天线尺寸的减小，天线效率会显著降低，带宽也会随之变窄。如何在天线带宽等性能受尺寸限制的情况下，设计出宽带小型化的天线是个难点。
    传统的单极子天线结构简单、容易馈电，但是其工作频带很窄，无法满足WLAN的频带宽度。而且在很多需娄低剖面、紧结构、小型化、易集成的天线的情况下，就更难胜任了。后来出现了平面单极子天线，虽然满足了小型化、低剖面问题，但是带宽窄的先天劣势无法避免。近些年来，共面波导馈电的天线在WLAN天线设计中受到了很多的关注，因为它拥有宽带、良好的阻抗匹配、简单的单层金属结构、容易与有源器件或者单片微波集成电路(MMIC)合成等特点。在一些现有的该天线设计中，存在小型化、结构简单、多频段和宽频带之间的矛盾。本文所提出的天线是在原有基础上，加入了天线阵的概念，强化了辐射强度的同时，有效地展宽了频带，而且结构简单，经过大量的仿真优化，成功设计出了一种新颖的应用于现代WLAN通信的天线。

1 天线结构设计
    本文设计出的天线结构如图1所示。此天线的辐射面和地面印刷在22×35mm2、相对介电常数εr=4．4的介质板上，介质板厚度为H=1．6 mm。天线由50 Ω SMA连接器进行馈电。天线的辐射单元有两部分组成，左边部分包括两个W6、L3和W8／2共四个贴片，产生低谐振频率，右边部分包括四个竖直片和W8／2共五个贴片，产生高的谐振频率。根据单极子的工作原理，谐振时的长度为波长的四分之一。左边长度(W6+L3+ W8／2)设置为谐振频率为2．54GHz时波长的四分之一，右边长度(L9+W8／2)设置为谐振频率为4．82GHz时波长的四分之一。为了加强辐射强度并且增大带宽，运用天线阵的概念，两部分都增加了相近的辐射贴片。由于耦合效应的存在，两部分长度需进行微调。

2 仿真结果
    天线结构中参数的变化将会对频段位置、带宽有较大影响，本文着重讨论了贴片长度W6以及贴片高度差L8对回波损耗的影响。图2表明贴片的长度W6对高频谐振没有影响，对低频有一定影响，从图中看出，W6小了，频带不能包括频点2．4GHz；W6大了，带宽变窄。从图3可见，贴片的高度差L8对高频有一定影响，并且通过耦合效应影响低频带宽。

    对以上参数优化，最终确定了最优的天线参数如表1所示。

    图5给出了优化后天线回波损耗的仿真结果，表明此天线完全覆盖了WLAN频段，并且具有很高的带宽。

    图6、图7、图8分别给出了对天线进行仿真后得到的2．44GHz、5．2GHz、5．8GHz频率下的方向图，表明天线在水平平面(y-zplane)内基本具有全频带的辐射全向性。

3 结果分析及结论
    本文根据共面波导馈电天线的特点和单极子天线的工作原理，在大量仿真实验之后，设计出了一种应用于WLAN的平面天线。文中对天线的部分参数做了具体讨论优化，并给出了优化后的天线仿真方向图，基本符合单极子天线辐射图样，在WLAN的工作频带内满足全向覆盖要求。