基于一种WLAN三频微带天线设计应用

0 引言

基于IEEE 802.11标准的无线局域网(WLAN)允许在局域网络环境中使用可以不必授权的ISM(IndustrialScientific and Medical)频段中的2.4 GHz或5 GHz射频波段进行无线连接。因此WLAN作为当前最有效的无线接入网络之一，已被广泛应用在无线通信中。与利用双绞铜线构成局域网络相比，WLAN具有可移动、更迅捷、费用低、更可靠等优点。随着无线局域网IEEE 802.11a标准(5.15~5.35 GHz,5.725~5.825 GHz)和IEEE 802.11b/g标准(2.4~2.483 5 GHz)的相继提出，WLAN得到了迅猛发展。与此同时就要求频带性能可以同时达到IEEE802.11a/b/g标准。

随着无线通信的迅猛发展，手持式移动终端设备成为人们日常生活的必须品。手机作为使用最普遍的一种，被提出越来越高的要求。轻、薄、小成为如今手机发展的潮流。即在极为有限的空间内设计出符合要求的天线，这使得天线的设计难度增大。微带天线由于其尺寸小、低剖面、质量轻、易加工、成本低等特点，在手机中被广泛应用。人们根据微带天线的特性，进行一系列的改进。包括利用共面波导馈电[1?4],多层结构[5],缝隙加载技术[6]来实现带宽增加和天线尺寸减小。

本文设计了一种微带天线，其长度为19 mm,宽度为7.5 mm.尺寸小、结构简单、易于加工，可工作在无线局域网的2.4 GHz、5.2 GHz、5.8 GHz三频段，在手机中具有很高的应用价值。

1 天线设计

本文提出的这种适用于手机中的WLAN天线如图1所示。用常见的FR4基板模拟手机电路板，该PCB板尺寸为118 mm×58 mm,厚度为1.2 mm,相对介电常数为4.4.

该天线占用PCB 板的面积为7.5 mm×19 mm,其背面切去地板尺寸为9 mm×33 mm.WLAN 天线结构的具体尺寸在图2中进行标注。在图2中，A为馈电点，B为接地点，其宽度均为1.1 mm.

2 仿真与测试结果及分析

对图2中所示结构用仿真软件进行仿真，设置的扫频范围从2~6 GHz.得到-10 dB 的阻抗带宽如图3 所示。从图3中看出带宽以-10 dB为标准，得到的低频部分的带宽为2.344~2.528 GHz,而高频部分带宽为4.607~5.859 GHz,完全覆盖IEEE 802.11a/b/g标准。

在此基础上制作了一款天线实物，照片如图4所示。

天线实物的S 参数采用Agilent E5071C矢量网络分析仪进行测试。图5是天线S11参数的实测结果。从图5中可以看出，实测结果达到WLAN的三频段带宽要求。

改变图2所示天线中S 的长度，进行仿真对比，结果如图6 所示。从图6 中可看出，S 的长度对WLAN 天线高频部分的带宽有较大影响。

图7给出所设计的天线在2.4 GHz,5.2 GHz,5.8 GHz三频点处的电流分布图。从图7中可以看出在2.4 GHz电流主要集中在左上部分和下部分支路，在5.2 GHz电流主要集中在下部分支路，在5.8 GHz电流主要集中在右上部分和下部分支路。[!--empirenews.page--]

图8给出了该天线在2.4 GHz,5.2 GHz,5.8 GHz处的二维方向图。从图8中可以看出方向图在三个频点处都具有全向性。在高频处，因天线尺寸的细微改变都会导致表面电流分布的较大变化，故方向图有一定的曲折。

图9给出的是该天线在2.4 GHz,5.2 GHz,5.8 GHz处增益的三维方向图。在2.4 GHz时增益可达到5.37 dB,5.2 GHz时增益为2.4 dB,5.8 GHz时增益达到4.77 dB.

图10 为天线仿真得到的辐射效率和总效率，其中天线在2.4 GHz,5.2 GHz,5.8 GHz点处的总效率分别为78%,82%,76%.在WLAN三个频带内的总效率范围是67%~87%.

综合以上的仿真和实测结果，所设计天线的-10 dB阻抗带宽完全符合WLAN 的IEEE 802.11a/b/g标准，且具有良好的方向性和辐射效率，满足在手机中的应用要求。

3 结论

该款应用于手机中的WLAN天线，仿真和实测结果表明，具有较宽的-10 dB阻抗带宽，良好的方向图和效率，而所占面积仅为7.5 mm×19 mm.尺寸小，结构简单，易于加工，符合如今手机“轻、薄、小”的潮流。对手机内置天线的小型化的设计具有重要意义。