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。