双频带印刷偶极子天线在无线局域网的的应用

 

　　随着通信系统通信系统通信系统是为把用户非电形式的消息传送到远方，现代通信技术在发送端以用户终端设备将作为信源的消息转换成电信号，并令其经信道传送到远方的接收端，接收端用户终端设备再从所接收信号中还原出受信消息（信宿）。 天线的不断发展，使得天线基本功能是辐射和接收无线电波。发射时，把高频电流转换为电磁波；接收时，把电磁波转换为高频电流。天线的一般原理是：当导体上通以高频电流时，在其周围空间会产生电场与磁场。按电磁场在空间的分布特性，可分为近区、中间区、远区。设R为空间一点到导体的距离，是高频电流信号的波长，在R<λ/2π时的区域称近区，在该区内的电磁场与导体中电流、电压有紧密的联系；在R>A/2π的区域称为远区，在该区域内电磁场能离开导体向空间传播，它的变化相对于导体上的电流、电压就要滞后一段时间，此时传播出去的电磁波已不与导线上的电流、电压有直接的联系了，这区域的电磁场称为辐射场。

　　本文介绍了一种可用于WLAN的印刷偶极子天线，采用巴伦来耦合馈电40 nnn×50 mm的尺寸，结构非常简单，覆盖了WLAN的两个频段（2.4 GHz和5.8 GHz），适用于WLAN系统。

　　1 天线结构

　　天线（antenna）是一种变换器，它把传输线上传播的导行波，变换成在无界媒介（通常是自由空间）中传播的电磁波，或者进行相反的变换。在无线电设备中用来发射或接收电磁波的部件。无线电通信、广播、电视、雷达、导航、电子对抗、遥感、射电天文等工程系统，凡是利用电磁波来传递信息的，都依靠天线来进行工作。此外，在用电磁波传送能量方面，非信号的能量辐射也需要天线。一般天线都具有可逆性，即同一副天线既可用作发射天线，也可用作接收天线。同一天线作为发射或接收的基本特性参数是相同的。这就是天线的互易定理。

　　由偶极子的工作原理可知，其谐振臂的长度约为谐振波长的1/4.为了能够双频工作，必须要有能激起两个谐振的面电流，对于偶极子就需要有两对谐振臂。为了缩小天线的尺寸，一般采取弯曲谐振臂使电流长度变长的方式达到减小天线谐振臂的长度。对于WLAN的两个频段2 400~2484 MHz和5 725~5 825MHz.由偶极子的工作原理可知，对应于低频段f0=2.4GHz的谐振电流长度约为31mm,而对应于高频段f0=5.8 GHz的谐振电流长度约为13 mm.此外，馈电方式直接影响着天线是否适合集成或共形，采用合理的馈电方式不仅可以缩小天线的尺寸，还可以使天线较容易集成和共形，在整个通信系统中占用更小的空间。李峰，张福顺，焦永昌提出的印刷偶极子采用了集成的巴伦，使天线适合集成和共形。根据以上的设计理论，本文所研究介绍的天线馈电是采用从天线背面耦合馈电的集成巴伦，同时在天线的谐振臂上开槽使得天线可以双频工作，该天线是一个可覆盖WLAN的高低两个频段的小型双频印刷偶极子。

　　小型双频印刷偶极子天线的结构如图1所示。整个系统有一对开槽的偶极子，巴伦馈电和介质板组成。该介质板是厚度h=1.0 mm,相对介电常数εr=4.4的FR4介质板。

　　将天线臂沿y轴开1个槽，再沿x轴开1个槽来满足WIAN双频的要求，由于这两个谐振臂距离较近，谐振频率对这两个槽的宽度变化非常敏感，通过不断地仿真优化，确定它们的宽度分别为3 mm和2mm.馈电微带线的宽度影响着整个天线系统的匹配，而且馈电线对天线进行耦合馈电的位置对谢振频率和系统匹配也有影响，用商业软件Ansofi HFSS对天线进行建模、仿真、优化之后，得到天线的尺寸（单位：mm）为L=50,L1=44,L2=21,L3=6,L11=9,L12=16,L13=21,L14=13,W=40,W1=2,W2=20,W3=9,W4=4,W5=4,W6=3,W11=1,W12=1.5,W13=1.5,W14=2.5.加工后的天线正反面结构图，如图2所示。

　　2 仿真结果

　　天线的驻波比仿真和测量结果如图3（a）所示。驻波比VSWR≤2的阻抗带宽在2.4GHz频段测量结果约为650MHz（2.15~2.8GHz约26.26%）比仿真结果580 MHz（2.15~2.73 GHz约23.77%）的带宽，5.8 GHz频段的测量结果约为870 MHz（5.19~6.06 GHz约15.47%）与带宽为850 MHz（5.2~6.05 GHz约15.1l%）仿真结果相近，覆盖了IEEE802.1l b/g（2.4~2.484 GHz）和IEEE802.11a（5.725~5.825 GHz）所要求的频段，从仿真结果和测量结果的对比来看，总体上还是比较符合的，在低频段的一点不一致应该是由于仿真软件的数值计算误差引起的。

　　当天线工作2.4 GHz频段时，辐射有长的谐振臂产生，此时沿长臂的电流长度约30 mm,非常接近该频段工作波长的1/4.而当天线工作于5.8 GHz频段时，辐射由短的谐振臂产生，此时沿短臂的电流长度约为14 mm,也非常接近该频段的工作波长的1/4.仿真的结果符合开槽前的理论预期，所以对偶极子臂按文中的方式开槽可以使天线双频工作，满足WLAN的频带要求。

　　该天线的方向图如图4所示，可以看出在f0=2.45 GHz时它的辐射方向图非常理想，基本达到了全向辐射，这个结果比预期要好，其次在f0=5.775 GHz时，其辐射方向图很接近理想的辐射方向图，也基本达到了全向辐射。与设计天线时的预期结果相比较，得到的这个结果符合要求。另外这个天线的尺寸比较小40mm×50mm,带宽比较宽（2.4GHz时2.15~2.8GHz约26.26%,5.8GHz时5.19~6.06 GHz约15.47%），可以满足WLAN系统的要求。

　　3 结束语

　　文中设计了应用于WLAN系统的双频印刷偶极子天线，在带宽和方向图上都有很好的优势，与文献中的天线相比，本文所介绍的天线实现了双频工作，与文献中的天线相比较，本文所介绍的天线不仅在带宽上比它宽，而且在尺寸上也小很多。所以这个天线以其尺寸小、结构简单、性能好、造价低、便于集成的优势，可以满足WLAN的通信要求。