王世軍，李 霖

(浙江理工大學(xué)信息學(xué)院，浙江杭州310000)

0 引言

無(wú)線局域網(wǎng)(WLNA)是采用802.11b(2.4～2.48 GHz)和802.11a(5.15～5.35 GHz)協(xié)議實(shí)現(xiàn)的無(wú)線網(wǎng)絡(luò)，相對(duì)于傳統(tǒng)的有線網(wǎng)絡(luò)，具有使用方便、體積小的優(yōu)勢(shì)。天線在WLAN系統(tǒng)中扮演著發(fā)射和接收無(wú)線電信號(hào)的重要角色，其性能對(duì)無(wú)線互聯(lián)的效果有著重要影響［1－3］。獲得體積小、剖面低、成本低且易于集成的天線，是無(wú)線局域網(wǎng)的重要環(huán)節(jié)之一。

微帶天線具有體積小、剖面低、成本低和結(jié)構(gòu)簡(jiǎn)單等優(yōu)點(diǎn)，近年來(lái)得到業(yè)界的廣泛關(guān)注［4－8］。隨著技術(shù)的進(jìn)步，微帶天線已在包括無(wú)線局域網(wǎng)等多個(gè)領(lǐng)域得到應(yīng)用，如在貼片上加載U形縫隙的雙頻微帶天線［9］，采用高介電常數(shù)基板的小型化微帶天線［10］，在貼片上加載矩形縫隙的圓極化微帶天線［11］。盡管這些天線都有優(yōu)異的性能，然而卻都是基于單端饋電實(shí)現(xiàn)，需要引入巴倫元件才能與越來(lái)越成為主流的后端差分型芯片互連，這樣既會(huì)增加損耗和占用面積，也會(huì)增加設(shè)計(jì)的復(fù)雜度?；谶@些因素，本文提出采用一種適用于無(wú)線局域網(wǎng)的差分型微帶天線。相比單端天線，差分微帶天線既擁有更高的輻射效率，又能獲得諧波抑制和帶寬拓展等新性能，更能實(shí)現(xiàn)與差分芯片的無(wú)縫對(duì)接，實(shí)現(xiàn)低損耗和小型化。另外，考慮到小型化的需要［12］，進(jìn)一步對(duì)微帶天線進(jìn)行了開槽處理，通過(guò)延長(zhǎng)電流距離、增加等效電感，成功地實(shí)現(xiàn)了天線的小型化。通過(guò)對(duì)一系列的參數(shù)進(jìn)行分析和優(yōu)化，最終設(shè)計(jì)出一個(gè)工作在無(wú)線局域網(wǎng)2．45 GHz頻段的小型化差分微帶天線模型，尺寸僅為傳統(tǒng)天線的67%左右，帶寬及輻射特性都能很好地滿足無(wú)線局域網(wǎng)系統(tǒng)對(duì)天線的性能要求。

1 天線設(shè)計(jì)

1.1 小型化差分微帶天線的設(shè)計(jì)

本文提出的小型化差分微帶天線基本結(jié)構(gòu)如圖1所示。

圖1 小型化差分天線尺寸結(jié)構(gòu)

微帶天線主要由接地板、介質(zhì)基片和開了槽的輻射貼片組成。正方形貼片邊長(zhǎng)為b，正方形接地板邊長(zhǎng)為a，饋電點(diǎn)到貼片中心距離為d，對(duì)稱槽邊緣與貼片中心距離為k，槽長(zhǎng)和槽寬分別為v和u，介質(zhì)基片厚度為h，基片介電常數(shù)為2.65。天線的饋電方式為差分饋電，通過(guò)在貼片上開槽來(lái)實(shí)現(xiàn)小型化?；谏鲜隼碚摚鶕?jù)天線的中心頻率及介質(zhì)板的介電常數(shù)，通過(guò)相關(guān)天線尺寸計(jì)算公式確定天線的大概尺寸，基于這類近似的尺寸參數(shù)和專業(yè)的三維電磁仿真軟件HFSS，同時(shí)在綜合平衡天線的增益、阻抗帶寬和小型化等設(shè)計(jì)指標(biāo)的情況下，得到滿足要求的各項(xiàng)指標(biāo)，分別為:a=65 mm，b=29.4 mm，d=4 mm，h=1.7 mm，u=0.2 mm，v=22.2 mm，k=7 mm?；谶@些數(shù)值參數(shù)，利用HFSS軟件對(duì)天線的性能做出如下分析。

1.2 天線性能分析

1.1.1 k對(duì)天線性能的影響

改變槽邊緣與貼片中心距離k，其他參數(shù)保持不變，k由5 mm增加到11 mm，得到的回波損耗圖如圖2所示。由圖2可見，當(dāng)k由5 mm增加到11 mm時(shí)，天線諧振頻率有升高的趨勢(shì)，說(shuō)明可以通過(guò)調(diào)節(jié)k來(lái)達(dá)到調(diào)節(jié)天線尺寸的目的。

圖2 k對(duì)天線性能的影響

1.1.2 v對(duì)天線性能的影響

改變貼片槽長(zhǎng)v，其他參數(shù)保持不變，v由18 mm增加到24 mm，得到的回波損耗圖如圖3所示。由圖3可見，當(dāng)v由18 mm增加到24 mm時(shí)，天線諧振頻率有降低的趨勢(shì)，說(shuō)明可以通過(guò)調(diào)節(jié)槽長(zhǎng)v來(lái)達(dá)到調(diào)節(jié)天線尺寸的目的。

圖3 v對(duì)天線性能的影響

從上述分析結(jié)果可以看出，對(duì)稱槽對(duì)諧振頻率影響比較大，這是因?yàn)閷?duì)稱槽的存在，阻礙了貼片表面的部分電流的流動(dòng)，改變了電流的流向，有效地延長(zhǎng)了貼片表面電流的路徑，從而降低了天線的諧振頻率，對(duì)某一固定頻率來(lái)說(shuō)，能起到縮小天線尺寸的作用。

2 仿真結(jié)果

回波損耗是指在天線的接頭處的反射功率與輸入功率的比值，反映了天線的匹配特性。同時(shí)，較高的增益和良好的阻抗帶寬也是天線設(shè)計(jì)的重要指標(biāo)。本文設(shè)計(jì)的天線的仿真結(jié)果如圖4和圖5所示。

圖4 小型化差分天線S11曲線

圖5 小型化差分天線輻射方向圖

圖5顯示天線具有較穩(wěn)定的輻射，天線諧振頻率為2.45 GHz，回波損耗約為－16.6 dB，阻抗帶寬為18 MHz，增益約為7.15 dB。此外本設(shè)計(jì)的小型化差分天線口徑面積為864.36 mm2，尺寸約為傳統(tǒng)差分天線的67%。天線的主要指標(biāo)基本滿足天線的設(shè)計(jì)要求。

3 結(jié)束語(yǔ)

提出了一種應(yīng)用于WLAN系統(tǒng)的小型化差分微帶天線，該天線應(yīng)用于無(wú)線局域網(wǎng)802.11b(2.4～2.48 GHz)系統(tǒng)中，采用差分饋電，相較單端天線擁有更好的性能。同時(shí)通過(guò)在差分天線貼片開槽來(lái)實(shí)現(xiàn)小型化，開槽后的天線尺寸約為傳統(tǒng)差分微帶天線的67%，有效地降低了差分微帶天線的尺寸。仿真結(jié)果表明，天線的回波損耗約為－16.6 dB，增益約為7.15 dB，帶寬約為 18 MHz，關(guān)鍵指標(biāo)基本滿足設(shè)計(jì)要求，設(shè)計(jì)的小型化差分微帶天線具有很好的應(yīng)用前景。

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