基于一種WLAN三頻微帶天線設(shè)計應(yīng)用

0 引言

基于IEEE 802.11標(biāo)準的無線局域網(wǎng)(WLAN)允許在局域網(wǎng)絡(luò)環(huán)境中使用可以不必授權(quán)的ISM(IndustrialScientific and Medical)頻段中的2.4 GHz或5 GHz射頻波段進行無線連接。因此WLAN作為當(dāng)前最有效的無線接入網(wǎng)絡(luò)之一，已被廣泛應(yīng)用在無線通信中。與利用雙絞銅線構(gòu)成局域網(wǎng)絡(luò)相比，WLAN具有可移動、更迅捷、費用低、更可靠等優(yōu)點。隨著無線局域網(wǎng)IEEE 802.11a標(biāo)準(5.15~5.35 GHz,5.725~5.825 GHz)和IEEE 802.11b/g標(biāo)準(2.4~2.483 5 GHz)的相繼提出，WLAN得到了迅猛發(fā)展。與此同時就要求頻帶性能可以同時達到IEEE802.11a/b/g標(biāo)準。

隨著無線通信的迅猛發(fā)展，手持式移動終端設(shè)備成為人們?nèi)粘Ｉ畹谋仨毱贰Ｊ謾C作為使用最普遍的一種，被提出越來越高的要求。輕、薄、小成為如今手機發(fā)展的潮流。即在極為有限的空間內(nèi)設(shè)計出符合要求的天線，這使得天線的設(shè)計難度增大。微帶天線由于其尺寸小、低剖面、質(zhì)量輕、易加工、成本低等特點，在手機中被廣泛應(yīng)用。人們根據(jù)微帶天線的特性，進行一系列的改進。包括利用共面波導(dǎo)饋電[1?4],多層結(jié)構(gòu)[5],縫隙加載技術(shù)[6]來實現(xiàn)帶寬增加和天線尺寸減小。

本文設(shè)計了一種微帶天線，其長度為19 mm,寬度為7.5 mm.尺寸小、結(jié)構(gòu)簡單、易于加工，可工作在無線局域網(wǎng)的2.4 GHz、5.2 GHz、5.8 GHz三頻段，在手機中具有很高的應(yīng)用價值。

1 天線設(shè)計

本文提出的這種適用于手機中的WLAN天線如圖1所示。用常見的FR4基板模擬手機電路板，該PCB板尺寸為118 mm×58 mm,厚度為1.2 mm,相對介電常數(shù)為4.4.

該天線占用PCB 板的面積為7.5 mm×19 mm,其背面切去地板尺寸為9 mm×33 mm.WLAN 天線結(jié)構(gòu)的具體尺寸在圖2中進行標(biāo)注。在圖2中，A為饋電點，B為接地點，其寬度均為1.1 mm.

2 仿真與測試結(jié)果及分析

對圖2中所示結(jié)構(gòu)用仿真軟件進行仿真，設(shè)置的掃頻范圍從2~6 GHz.得到-10 dB 的阻抗帶寬如圖3 所示。從圖3中看出帶寬以-10 dB為標(biāo)準，得到的低頻部分的帶寬為2.344~2.528 GHz,而高頻部分帶寬為4.607~5.859 GHz,完全覆蓋IEEE 802.11a/b/g標(biāo)準。

在此基礎(chǔ)上制作了一款天線實物，照片如圖4所示。

天線實物的S 參數(shù)采用Agilent E5071C矢量網(wǎng)絡(luò)分析儀進行測試。圖5是天線S11參數(shù)的實測結(jié)果。從圖5中可以看出，實測結(jié)果達到WLAN的三頻段帶寬要求。

改變圖2所示天線中S 的長度，進行仿真對比，結(jié)果如圖6 所示。從圖6 中可看出，S 的長度對WLAN 天線高頻部分的帶寬有較大影響。

圖7給出所設(shè)計的天線在2.4 GHz,5.2 GHz,5.8 GHz三頻點處的電流分布圖。從圖7中可以看出在2.4 GHz電流主要集中在左上部分和下部分支路，在5.2 GHz電流主要集中在下部分支路，在5.8 GHz電流主要集中在右上部分和下部分支路。[!--empirenews.page--]

圖8給出了該天線在2.4 GHz,5.2 GHz,5.8 GHz處的二維方向圖。從圖8中可以看出方向圖在三個頻點處都具有全向性。在高頻處，因天線尺寸的細微改變都會導(dǎo)致表面電流分布的較大變化，故方向圖有一定的曲折。

圖9給出的是該天線在2.4 GHz,5.2 GHz,5.8 GHz處增益的三維方向圖。在2.4 GHz時增益可達到5.37 dB,5.2 GHz時增益為2.4 dB,5.8 GHz時增益達到4.77 dB.

圖10 為天線仿真得到的輻射效率和總效率，其中天線在2.4 GHz,5.2 GHz,5.8 GHz點處的總效率分別為78%,82%,76%.在WLAN三個頻帶內(nèi)的總效率范圍是67%~87%.

綜合以上的仿真和實測結(jié)果，所設(shè)計天線的-10 dB阻抗帶寬完全符合WLAN 的IEEE 802.11a/b/g標(biāo)準，且具有良好的方向性和輻射效率，滿足在手機中的應(yīng)用要求。

3 結(jié)論

該款應(yīng)用于手機中的WLAN天線，仿真和實測結(jié)果表明，具有較寬的-10 dB阻抗帶寬，良好的方向圖和效率，而所占面積僅為7.5 mm×19 mm.尺寸小，結(jié)構(gòu)簡單，易于加工，符合如今手機“輕、薄、小”的潮流。對手機內(nèi)置天線的小型化的設(shè)計具有重要意義。