l 引 言
隨著IEEE 802．1la(5．15～5．35 GHz，5．725～5．825 GHz)和IEEE 802．11b／g(2．4～2．48 GHz)標(biāo)準(zhǔn)的提出，無線局域網(wǎng)(WLAN)通信技術(shù)得到了迅猛的發(fā)展。與此同時，對WLAN天線的需求也逐步增多。無論是手機，微型計算機，個人電腦的無線網(wǎng)卡還是各種各樣的遠(yuǎn)程感應(yīng)設(shè)備，都需要體積小、重量輕的小型化天線。同時，為了適應(yīng)各種復(fù)雜的環(huán)境，還要求天線具備良好的全向性能。
平面倒F天線(PIFA)是一種具有水平和垂直兩種極化特性的天線，具有小型化、結(jié)構(gòu)緊湊便于內(nèi)置、加工制作簡單、成本低，且后向輻射小、比吸收率(SAR)值低等特點，因而在目前的移動通信系統(tǒng)，尤其是移動終端中被廣泛采用。在PIFA天線貼片上加載縫隙結(jié)構(gòu)可以實現(xiàn)雙頻或多頻功能。縫隙的形狀由傳統(tǒng)的矩形槽演變成特性更好的U形，L形，E形等。在形狀多樣化的同時，PIFA天線的功能也日益多樣化，其中應(yīng)用于無線局域網(wǎng)的PIFA天線已成為當(dāng)今研究的熱點。文獻提出了一種可以內(nèi)置在軟件狗中的PIFA，應(yīng)用頻段在2．3／5．5GHz，阻抗帶寬分別為840 MHz和1 010 MHz，但是天線增益相對較小，在低頻部分(1．88～2．75 GHz)為1.3～2．5 dBi，在高頻部分(4．89～5．9 GHz)為3．1～4．5 dBi。
文獻提出了一種通過加載諧振單元來減少雙頻自耦合現(xiàn)象的無線局域網(wǎng)天線，但在5．2 GHz的阻抗帶寬為310 MHz，相對較窄，不能完全覆蓋5．15～5．825 GHz的WLAN頻段。
本文提出了一種新型的F形槽雙頻平面倒F天線，并通過加載階梯形槽有效增大了天線的阻抗帶寬，在藍(lán)牙頻段阻抗帶寬達(dá)到300 MHz(2．21～2．51 GHz)，在無線局域網(wǎng)頻段阻抗帶寬達(dá)到1 070 MHz(4．95～6．02 GHz)，能夠完全覆蓋IEEE 802．1la和IEEE 802．1lb／g相對應(yīng)的工作頻段。該天線結(jié)構(gòu)緊湊，天線高度為7 mm，可以方便地植入無線通信設(shè)備中，有較強的實用性。天線具有良好的全向性能，滿足無線網(wǎng)卡全向天線的要求。天線的增益在低頻部分(2．2l～2．51 GHz)達(dá)到3．1～3．6 dBi，在高頻部分(4．95～6．02 GHz)達(dá)到6．1～6．7 dBi。
2 天線結(jié)構(gòu)與參數(shù)分析
天線的結(jié)構(gòu)如圖l所示，輻射貼片和地板均由厚度為O．2 mm的銅片制成。地板的尺寸為47．5 mm×20 mm，輻射貼片的尺寸為27．5 mm×11 mm×7 mm。輻射貼片與地板之間不存在除空氣以外的其他介質(zhì)，貼片由短路針和同軸饋電結(jié)構(gòu)共同支撐。饋電方式采用50Ω同軸直接饋電。天線的阻抗匹配可以通過調(diào)節(jié)饋電點和短路針的位置來實現(xiàn)。在不減弱天線輻射性能的前提下，為了使天線可以方便地植入系統(tǒng)內(nèi)部，本文采取開一個“F”型槽來增加天線的電長度，從而滿足天線的小型化要求，增加天線的帶寬。如圖1(a)所示，整個輻射貼片被短路針分成了兩個輻射單元：從饋點到短路針部分的電流路徑A和從短路針到貼片開路端部分的電流路徑B。這兩個輻射單元決定著天線的諧振頻率，可以由以下公式近似計算：
這里，c為真空中光速，l和w為輻射單元的長度和寬度，f0為輻射單元的諧振頻率。通過計算，我們?nèi)÷窂紸的長度約為12 mm，使其諧振在5．5 GHz頻段；取路徑B的長度約為32 mm，使其諧振在2．4 GHz頻段。
采用Ansoft公司的電磁仿真軟件HFSS 10．0對天線進行仿真。通過調(diào)節(jié)短路針的位置L1以及輻射貼片開路端的長度L4使天線諧振在2．4／5 GHz藍(lán)牙和無線局域網(wǎng)頻段。由圖1(a)可知，在固定L4不變的情況下(取L4=16 mm)，以ra為基準(zhǔn)線，改變短路針的位置L1會同時改變電流路徑A和電流路徑B的長度。當(dāng)減小L1的長度時(L1=10 mm)，路徑B的長度變長，如圖2所示，低頻段向左移動。與此同時，路徑A的長度變短，高頻段向右移動。當(dāng)L1變長時(L1=14 mm)，則得到相反的結(jié)果。相似的原理，在固定L1不變的情況下(取L1=12 mm)，以rb為基準(zhǔn)線，調(diào)節(jié)L4的長度改變了低頻部分的電流長度，而高頻部分的電流長度保持不變，如圖3所示。綜上可知，路徑B和路徑A分別控制著2．4 GHz和5 GHz頻段。最終仿真優(yōu)化的結(jié)果取L1=12 mm，L4=16 mm。
調(diào)試完兩個諧振頻率點后發(fā)現(xiàn)：低頻部分的帶寬相對較窄，因此，在控制低頻的輻射單元處加載階梯形槽。由于多節(jié)匹配傳輸線結(jié)構(gòu)能夠?qū)崿F(xiàn)寬帶匹配，所以這種階梯形結(jié)構(gòu)能夠較容易的實現(xiàn)天線帶寬的展寬。如圖4所示，在加載了階梯形槽后帶寬有了較明顯的展寬。
3 天線測試
對天線進行實際加工來證明設(shè)計的有效性。其最終尺寸為：L=47．5 mm，W=20 mm，L1=12 mm，L2=6 mm，L3=5 mm，L4=16 mm，L5=10 mm，L6=3 mm，L7=27．5 mm，W1=2 mm，W2=1 mm，W3=2 mm，W4=1．5 mm，W5=2．5 mm，W6=5 mm，W7=11 mm，W8=6 mm，H=7 mm，R=0．5 mm。
采用安捷倫公司的8722ES網(wǎng)絡(luò)分析儀進行測試，測試得到的兩個諧振頻率點分別為：2．4 GHz和5．5 GHz，阻抗帶寬分別為300 MHz(2．21～2．51 GHz)大約為12．50％和1 070 MHz(4．95～6．02 GHz)大約為19．51％。圖5是回波損耗的測試結(jié)果與仿真結(jié)果的比較，可見，二者吻合良好。該天線在兩個工作頻段上的輻射方向圖分別如圖6和圖7所示，可見天線具有較好的全向性能，能夠滿足無線局域網(wǎng)天線的要求。如圖8所示，所設(shè)計天線的增益在低頻部分(2．21～2．51 GHz)達(dá)到3．1～3．6 dBi，變化范圍在0．5 dBi以內(nèi)，在高頻部分(4．95～6．02 GHz)達(dá)到6．1～6．7 dBi，變化范圍在O．6 dBi以內(nèi)。
4 結(jié) 語
本文提出并設(shè)計測試了一種新型小型化雙頻平面倒F天線，該天線設(shè)計簡潔、靈活，在選定開槽位置后，只需通過調(diào)節(jié)短路針位置L1和開路端長度L4即可方便調(diào)節(jié)兩個諧振頻率。通過加載階梯形槽使天線具備較大的阻抗帶寬，可完全覆蓋2．4／5 GHz頻段，以滿足無線局域網(wǎng)對雙頻天線的要求。此外，該天線體積小、成本低、饋電方便，有較好的全向輻射特性和較高的增益，適用于目前的無線通信系統(tǒng)，具有廣闊的應(yīng)用前景。
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