摘 要： 為了滿足手機(jī)無線局域網(wǎng)（WLAN）通信技術(shù)的要求，設(shè)計(jì)了一個(gè)三頻段單極子貼片天線，通過2個(gè)L形支路產(chǎn)生雙頻輻射。并用軟件對(duì)該天線進(jìn)行仿真優(yōu)化，實(shí)現(xiàn)了2.4 GHz、5.2 GHz和5.8 GHz三頻段的同時(shí)工作，而且該天線結(jié)構(gòu)簡(jiǎn)單，由L形貼片組合形成，體積小，所占面積為14.5 mm×16.5 mm。仿真結(jié)果表明，該天線的尺寸和性能可以在手機(jī)WLAN通信系統(tǒng)得到良好的應(yīng)用

關(guān)鍵詞： WLAN； 共面波導(dǎo)； 小型微帶天線； 單極子貼片天線

中圖分類號(hào)： TN828.6?34 文獻(xiàn)標(biāo)識(shí)碼： A 文章編號(hào)： 1004?373X（2014）02?0071?03

0 引 言

隨著現(xiàn)代科技的迅速發(fā)展，各種通信設(shè)備、互連方案應(yīng)運(yùn)而生。相對(duì)于傳統(tǒng)的有線網(wǎng)絡(luò)，無線網(wǎng)絡(luò)具有可移動(dòng)性、靈活性、費(fèi)用低且安裝簡(jiǎn)單。目前最有效的無線接入網(wǎng)絡(luò)之一的無線局域網(wǎng)（Wireless Local Area Networks，WLAN）成為近年來的研究熱點(diǎn)。WLAN利用無線通信技術(shù)在空中傳輸數(shù)據(jù)、信息等，用戶可以隨時(shí)隨地交換信息。目前的WLAN天線主要應(yīng)用于三個(gè)頻段：2.4 GHz（2.4～2.484 GHz），5.2 GHz（5.15～5.35 GHz），5.8 GHz（5.725 ～5.825 GHz）。

近年來，WLAN天線的低成本、小型化和易加工的實(shí)際需要引起了人們的廣泛研究，各種小型化多頻段WLAN天線相繼提出[1?6]?；谖ю侂姷牡筁平面單極子天線[7?8]，本文提出了一種利用不對(duì)稱共面波導(dǎo)[7，9?10]饋電的平面天線，該天線尺寸更小、結(jié)構(gòu)更簡(jiǎn)單且易加工，通過2個(gè)L型微帶結(jié)構(gòu)組合，完全覆蓋了WLAN 2.4 GHz/5.2 GHz/5.8 GHz的工作頻段，在低頻和高頻分別獲得了175 MHz（2 404～2 579 MHz）和1 030 MHz（4 901～5 931 MHz）的帶寬，滿足了手機(jī)天線反射系數(shù)-10 dB的要求。通過電磁仿真軟件對(duì)天線進(jìn)行優(yōu)化后，仿真結(jié)果表明，本文提出的天線達(dá)到了設(shè)計(jì)要求，驗(yàn)證了該設(shè)計(jì)天線的可行性。

1 天線的結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)

WLAN天線形式多樣，有平面單極子天線、微帶天線等。本文所設(shè)計(jì)的單極子天線由兩條支路組成，分別形成高頻、低頻諧振。天線實(shí)現(xiàn)多頻的方法很多，包括單一貼片利用不同的自然模式來實(shí)現(xiàn)多頻，通過加載或開槽改變場(chǎng)分布實(shí)現(xiàn)多頻、采用多貼片產(chǎn)生多諧振。本文所設(shè)計(jì)的天線采用不對(duì)稱共面波導(dǎo)進(jìn)行饋電和阻抗匹配，達(dá)到寬頻帶的要求。

本文所設(shè)計(jì)的天線結(jié)構(gòu)如圖1所示。

該天線的整體尺寸為14.5 mm×16.5 mm，印制于介電常數(shù)為4.4，厚度為1.2 mm，尺寸為60 mm×120 mm的FR4介質(zhì)基板上。WLAN天線僅位于基板左上角，所占面積很小，該基板其余空白位置可用來放置GPS，GSM，LTE等天線，完成手機(jī)天線所需其他頻段要求。圖2為WLAN天線的具體尺寸參數(shù)。本文采用不對(duì)稱共面波導(dǎo)進(jìn)行饋電，完全覆蓋了WLAN天線的工作頻段。

2 天線優(yōu)化與結(jié)果分析

利用三維電磁仿真軟件對(duì)該天線進(jìn)行仿真優(yōu)化。天線主要參量?jī)?yōu)化設(shè)計(jì)如圖3所示，圖3（a）為支路1長(zhǎng)度p為對(duì)反射系數(shù)的影響，圖3（b）為反射系數(shù)隨支路2長(zhǎng)度k的變化。由圖可以看出，短支路長(zhǎng)度p主要影響天線高頻諧振點(diǎn)，長(zhǎng)支路長(zhǎng)度k主要影響天線低頻諧振點(diǎn)。為了滿足WLAN天線的頻段要求，本文選取p=2 mm， k=16.5 mm。由于影響天線輻射特性的變量較多，本文優(yōu)化好兩個(gè)參數(shù)后，保持這兩個(gè)參數(shù)不變，再優(yōu)化另外兩個(gè)參數(shù)，這樣既提高準(zhǔn)確度，又加快了優(yōu)化速率。

圖4分別為天線在低頻2.4 GHz和高頻5.8 GHz時(shí)的電流分布。電流最強(qiáng)的地方代表影響該頻率的主要部分。由圖比較可以看出低頻主要受支路2控制，高頻主要由支路1產(chǎn)生。電長(zhǎng)度與其產(chǎn)生的諧振點(diǎn)的高低存在反比關(guān)系。

圖3 天線主要參量?jī)?yōu)化設(shè)計(jì)

圖4 天線表面電流分布

圖5分別為天線工作于2.4 GHz、5.8 GHz時(shí)在xOz平面與yOz平面的二維輻射方向圖。由圖可以看出基本符合全向輻射特性，但是由于饋電部分對(duì)輻射貼片的影響和仿真軟件運(yùn)算精度的限制，存在部分誤差。

圖6為該天線的輻射效率和總效率，在2.4 GHz，5.2 GHz和5.8 GHz點(diǎn)的效率分別為88%，89%和80%，但是在實(shí)際情況中，由于環(huán)境等外在條件的干擾，天線效率會(huì)低于仿真值。

3 結(jié) 論

本文提出了一種采用雙支路結(jié)構(gòu)的應(yīng)用于手機(jī)的小型WLAN天線，通過地板開槽、加載短路面、不對(duì)稱共面波導(dǎo)饋電方法達(dá)到了低頻和高頻分別為175 MHz和1 030 MHz的帶寬。其增益、效率均表明該天線滿足手機(jī)WLAN天線寬頻帶、小型化和易加工的要求，在手機(jī)通信領(lǐng)域具有廣闊的應(yīng)用前景。

圖5 天線在xz面的方向圖

圖6 天線的輻射效率和總效率

參考文獻(xiàn)

[1] GUO Y X， LUK K M， LEE K F. A dual?band patch antenna with two U?shaped slots [J]. Microwave and Optical Technology Letters， 2000， 26（2）： 748?751.

[2] KUO Yenliang， WANG Kin?lu. Printed double?T monopole antenna for 2. 4 /5. 2 GHz dual?band WLAN operations [J]. IEEE Transactionson Antennas and Propagation， 2003， 51 （9）： 218?2192.

[3] LIN Yi?fang， CHEN Horng?dean， CHEN Hua?ming. A dual band printed L?shaped monopole for WLAN applications [J]. Microwave Opt Technol Lett， 2003， 37（3）： 214?216.

[4] HERRAIZ?MARTINEZ F J， GARCIA?MUNOZ L E， GONZALEZ?OVEJERO V， et al. Dual?frequency printed dipole loaded with split ring re?sonators [J]. IEEE Antennas and Wireless Propagation Letters， 2009， 8： 137?140.

[5] HONG Tao， GONG Shu?xi， LIU Ying， et al. Monopole antenna with quasi?fractal slotted ground plane for dual?band applications [J]. IEEE Antennas and Wireless Propagation Letters， 2010， 9： 595?598.

[6] MACI S， GENTILI G B.Dual?frequency patch antennas [J].IEEE Antennas and Propagation Magazine， 1997， 39（6）： 13?20.

[7] LIU W C. Wideband dual?frequency double inyerted?L CPW?fed monopole antenna for WLAN application [J]. IEEE Proc?Microw Antenna Propag， 2005， 152（6）： 505?510.

[8] JAN Jen?Yea， TSENG Liang?Chih. Small planar monopole antenna with a shorted parasitic inverted?L wireless communication in the 2.4， 5.2 and 5.8 GHz bands [J]. IEEE Transactions on Antennas and Propagation， 2004， 52（7）： 1903?1905.

[9] CHAIMOOL S， CHUNG K L. CPW?fed mirrored?L monopole antenna with distinct triple bands for WiFi and WiMAX applications [J]. Electronic Letters， 2009， 45： 928?929.

[10] 雷玉麟，張卉，張戎戎.應(yīng)用于WLAN的寬頻帶天線設(shè)計(jì)[J].現(xiàn)代電子技術(shù)，2011，34（19）：87?90.