蘇展飛， 陳 明， 程丹丹

(西安郵電大學(xué) 電子工程學(xué)院，陜西 西安 710121)

0 引 言

隨著移動數(shù)據(jù)使用的快速增長和物聯(lián)網(wǎng)應(yīng)用的快速擴展，以傳統(tǒng)WiFi標準(802.11a/b/g/n/ac)運行的現(xiàn)有無線基礎(chǔ)設(shè)施不足以應(yīng)對連接的增加和帶寬需求的提高。WiFi 6生態(tài)系統(tǒng)基于IEEE 802.11ax標準的WiFi 6是最新一代WiFi，旨在解決迫在眉睫的網(wǎng)絡(luò)擁塞問題，同時創(chuàng)建支持新興的多千兆位應(yīng)用的高速公路。與WiFi 5(802.11ac)相比，WiFi 6可以更好地為大量WiFi設(shè)備提供服務(wù)，尤其是在城市中心，商場，機場，音樂廳和體育場等密集環(huán)境中。此外，向WiFi 6的轉(zhuǎn)變包括上行鏈路和下行鏈路傳輸?shù)臄?shù)據(jù)速度和延遲的顯著改善。WiFi 6帶來了許多增強的功能，如1024—QAM和OFDMA，旨在達到高帶寬、低延遲的使用。6 GHz WiFi：WiFi的下一個前沿領(lǐng)域，傳統(tǒng)WiFi設(shè)備一直使用2.4 GHz和5 GHz頻段1～3?，F(xiàn)在，最新的WiFi 6支持2.4 GHz，5 GHz和待普及6 GHz頻段，目前WiFi設(shè)備共享的2.4 GHz和5 GHz頻段非常擁擠，由于無線連接和數(shù)據(jù)的增長，這些頻段很快就會過載。解決這一挑戰(zhàn)的方法是以全球統(tǒng)一頻譜的形式提供6 GHz頻段的WiFi。6 GHz WiFi將允許多個160 MHz信道在家庭和辦公室實現(xiàn)下一波千兆應(yīng)用，從而實現(xiàn)WiFi 6的全部潛力。此外，6 GHz頻段與微波爐、無線耳機和無繩電話等其他無線電信號不存在干擾，6 GHz WiFi可以實現(xiàn)的各種新興數(shù)據(jù)密集型應(yīng)用包括：適用于家庭和企業(yè)的4 K/8 K視頻分發(fā)、實時沉浸式游戲、虛擬/增強現(xiàn)實(VR/AR)、遠程醫(yī)療、遠程教育[4～8]。

1 天線設(shè)計

1.1 天線結(jié)構(gòu)

天線的幾何結(jié)構(gòu)如圖1所示。

圖1 天線結(jié)構(gòu)

該天線由三層基板、內(nèi)貼片、外貼片、旋轉(zhuǎn)結(jié)構(gòu)和接地金屬平面組成。如圖1所示，圖1(a)是天線的俯視圖，圖1(b)是天線的側(cè)視圖，底部基板和頂部基板均為FR4，厚度為Hs=0.8 mm，相對介電常數(shù)為4.4。中間基板是厚度為Hc，直徑90 mm的介電層。底部基板也是圓形的，直徑與中間基板相同。在矩形頂基板的上層上印刷有大小為Linner=14.5 mm，Winner=12.8 mm的內(nèi)貼片，有Louter=34.8 mm,Wouter=28.8 mm的外貼片，并在內(nèi)貼片和外貼片之間切出寬度為g的U形間隙。內(nèi)部補丁直接由SMA連接器，外接片由接近耦合激勵。設(shè)計了旋轉(zhuǎn)結(jié)構(gòu)，將34.5 mm×5.5 mm的矩形部分從中間基板上移除，為旋轉(zhuǎn)和進給結(jié)構(gòu)提供空間。所提出的天線可以通過機械地將頂部基板分別旋轉(zhuǎn)到垂直面或水平面，從而在單極狀態(tài)和貼片狀態(tài)下工作。當頂部基板與接地平面平行時，天線工作在貼片狀態(tài)。當上基板垂直于地平面時，天線工作在單極狀態(tài)。天線可以在兩種狀態(tài)下雙波段共振。

1.2 設(shè)計原理與優(yōu)化

設(shè)計這種天線的困難在于使兩種狀態(tài)在相同的頻率下發(fā)生共振，因為公式中第一次共振的物理長度是由

(1)

式中w為單極子的寬度，λ0為自由空間中的波長。傳統(tǒng)矩形貼片第一次共振的物理長度可通過以下公式計算

(2)

經(jīng)實踐證明，貼片狀態(tài)下的兩個共振頻率隨電流變率的增大而減小，單極狀態(tài)下的兩個共振頻率隨電流變率的增大而略有變化。根據(jù)分析調(diào)試和實踐，選擇相對介電常數(shù)為2.94的板材NeltecNX9294作為中間基板。此外，還研究了其他參數(shù)對諧振和帶寬的影響。

為了得到想要的帶寬，經(jīng)仿真分析，g對無線局域網(wǎng)(WLAN)的帶寬有影響，單極狀態(tài)下隨著g的增加高頻段帶寬增寬且頻率增大，較低的波段變化不明顯；貼片狀態(tài)下，g從1 mm到3 mm的變化可看出，較低波段帶寬隨著g的增加而增寬且頻率增大，較高波段頻率降低,如圖2所示。

圖2 g對S11的影響

圖3表明，輻射板長度Louter對頻率有一定的影響，單極狀態(tài)下隨著Louter的增加而減小，尤其是在較低的波段，頻率變小明顯；貼片狀態(tài)，較低波段頻率隨著Louter的增加而增大，較高波段基本穩(wěn)定不變。

圖3 Louter對S11的影響

圖4表明，輻射板寬度Wouter對頻率和帶寬有一定的影響，隨著Wouter的增加，單極狀態(tài)下頻率帶寬基本無變化，貼片狀態(tài)下，較低波段帶寬隨著Wouter的增加帶寬變大且頻率降低，較高波段基本穩(wěn)定不變。

圖4 對Wouter的影響

圖5表明，隨著Souter的增加，單極狀態(tài)下低頻帶寬會增加，且低頻頻率會隨著增加；高頻帶寬幾乎無變化，高頻頻率會隨著增加。貼片狀態(tài)下，低頻帶寬和頻率幾乎無變化，S11反射系數(shù)會逐漸增大；高頻帶寬增大，頻率和反射系數(shù)變化不明顯。

圖5 Souter對S11的影響

由圖6可以看出，隨著Linner的增大，單極狀態(tài)在低頻段的S11反射系數(shù)會增大，在較高頻段反射系數(shù)減小且共振頻率減小。當Linner從3 mm到5 mm變化時，貼片狀態(tài)下較高的共振頻率會降低，而較低的共振頻率則保持穩(wěn)定。根據(jù)這些分析，對天線在兩種狀態(tài)下同時進行優(yōu)化，覆蓋2.32～2.45 GHz和大部分5.71～6.33 GHz WLAN頻段，優(yōu)化參數(shù)為：Linner=14.3 mm，Winner=12.8 mm，Wouter=29.3 mm，Louter=34.1 mm，Souter=4.8 mm，Sinner=1.6 mm，g=2.5 mm，Hc=3.8 mm。

圖6 Linner對S11的影響

為了更好地理解操作機制，結(jié)果仿真出了兩種狀態(tài)的模擬電流分布。由結(jié)果看出在兩種狀態(tài)的較低共振頻率下，外貼片上的電流在同一方向上占主導(dǎo)地位。當兩種狀態(tài)的共振頻率較高時，內(nèi)貼片上的電流在同一方向上占主導(dǎo)地位。電流分布表明，通過分別調(diào)整外貼片尺寸和內(nèi)貼片尺寸，可以分別控制兩個諧振頻率。因此，兩個共振帶的設(shè)計將比傳統(tǒng)的U型槽更容易。

2 結(jié)果與討論

2.1 S11分析與討論

對該天線進行了仿真和測量。圖7給出了兩種狀態(tài)仿真的S11。在單極狀態(tài)下，模擬的-10 dB帶寬分別為1.96～3.22 GHz和5.09～6.04 GHz，測量的-10 dB帶寬分別為1.97～3.1 GHz和4.98～6.17 GHz。在貼片狀態(tài)下，模擬的-10 dB帶寬為2.4～2.51 GHz與5.25～5.89 GHz，測量的-10 dB帶寬分別為2.4～2.56 GHz和5.22～6 GHz。兩種狀態(tài)下測量的重疊頻帶分別為2.4～2.56 GHz和5.22～6 GHz，覆蓋了IEEE 802.11b/g/n頻帶(2.4～2.48 GHz)，以及大部分IEEE 802.16頻帶(5.15～5.85 GHz)。

圖7 不同狀態(tài)下的S11

2.2 輻射方向圖分析與討論

模擬的貼片狀態(tài)輻射模式如圖8所示。

圖8 貼片狀態(tài)下輻射狀況圖

圖9 單極狀態(tài)下輻射狀況圖

圖9給出了單極狀態(tài)下的模擬和測量輻射模式。分別給出了在2.4 GHz和6 GHz兩個頻率下在XOZ方向和YOZ方向的輻射方向圖。結(jié)果表明，天線在兩個波段都有方向性的輻射方向圖。在兩種狀態(tài)下，模擬峰值增益在2.4 GHz下測量的單極態(tài)峰值增益為7.1 dBi，貼片狀態(tài)下峰值增益為2.4 dBi，而在6 GHz下測量的單極態(tài)峰值增益為7.8 dBi，貼片狀態(tài)下峰值增益6.5 dBi。輻射狀態(tài)良好，高效率和雙頻性能使其非常適合當前的便攜式無線路由器。實現(xiàn)了天線可以根據(jù)不同的應(yīng)用場景輕松改變其工作狀態(tài)。

3 結(jié) 論

針對2.4/6 GHzWLAN應(yīng)用，提出了一種機械式可重構(gòu)雙頻天線，它可以通過手動旋轉(zhuǎn)調(diào)整為定向和全向。通過引入一種由外貼片、內(nèi)貼片和U形間隙組成的新型WLAN結(jié)構(gòu)，實現(xiàn)了雙頻帶特性。這種結(jié)構(gòu)在兩種工作狀態(tài)下都能很容易地產(chǎn)生雙頻性能。這兩個狀態(tài)的測量重疊帶分別為2.38～2.56 GHz和5.22～6 GHz，覆蓋了2.4～2.48 GHz以及大部分5.15～5.85 GHz的Wlan帶。測量的貼片狀態(tài)下2.5 GHz峰值增益為2.4 dBi，單極態(tài)為6 GHz增益為6.2 dBi，以及單極狀態(tài)下2.5 GHz峰值增益為5.8 dBi，在6 GHz下的增益為7.2 dBi。兩個狀態(tài)的效率都超過70 %。該天線為室內(nèi)無線熱點應(yīng)用提供了模式多樣性，提高了不同場景下的通信質(zhì)量，增強了用戶體驗。