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一種寬頻帶天線方案

2012年01月09日 11:45 現(xiàn)代電子技術(shù) 作者:雷玉麟,張卉,張戎 用戶評論(0
關(guān)鍵字:WLAN(72461)天線(139072)

  引言

  近年來,隨著IEEE 802.11a(5.15~5.35GHz,5.725~5.825GHz)和IEEE 802.11b/g(2.4~2.483 5GHz)標(biāo)準(zhǔn)的提出,WLAN得到了迅猛發(fā)展.與此同時對WLAN天線的要求也越來越高,要求其體積小、重量輕、生產(chǎn)加工便捷、天線成本低廉,同時在功能上要求使用頻寬較寬以及有雙頻性能以同時達(dá)到IEEE 802.11a/b/g標(biāo)準(zhǔn)要求。所以,近年來對小型化的多頻段WLAN天線的研究大量涌現(xiàn)。

  在平面單極子天線中,有一種倒L形平面單極子天線,國際上已經(jīng)對此進(jìn)行了研究,在理論模擬仿真上,可以同時滿足IEEE802.11a/b/g標(biāo)準(zhǔn)要求,其設(shè)計(jì)形式更簡單,在滿足帶寬的要求上,體積還可進(jìn)一步的縮小。所以,本文將在原來的微帶饋電的倒L平面單極子天線的基礎(chǔ)上,改變其饋電的形式,研制出一種共面波導(dǎo)饋電的倒L-U平面單極子天線。仿真和實(shí)測表明該天線在WLAN的三個頻帶范圍內(nèi)均具有很好的阻抗匹配和輻射特性。

  1 倒L-U平面單極子天線的設(shè)計(jì)

  1.1 天線分析與設(shè)計(jì)

  WLAN天線形式有很多種,比如微帶天線,八木天線、平面單極子天線等等。選擇平面單極子天線的原因是,相對于微帶天線,其帶寬大;相對于八木天線,其體積小且容易共形。平面單極子天線與微帶天線的結(jié)構(gòu)不同在于:在金屬輻射貼片對應(yīng)的介質(zhì)襯底另一側(cè)的金屬地板被去除,也就是采用了部分地板結(jié)構(gòu)。微帶天線的帶寬低,因?yàn)槠銺值大,即在輻射板與地板之間儲存了大量的能量。平面單極子天線的輻射板的對應(yīng)地板去除了,加大了輻射電阻,輻射出去的能量也大大的增加,Q值變小,帶寬增大。選擇共面波導(dǎo)饋電的形式,將地板與輻射板共面,使得帶寬又增大了,而且結(jié)構(gòu)更緊湊。但是由于天線與共面波導(dǎo)之間缺少有效的隔離,造成天線性能受共面波導(dǎo)尺寸的影響較嚴(yán)重。

  

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  本文所設(shè)計(jì)的平面波導(dǎo)饋電(CPW-feed)的單極子倒L-L形天線如圖1所示,由于Length1的長邊過于長,使整個板子的面積較大,本文通過曲流技術(shù)中的折疊技術(shù),將Length1的長邊又進(jìn)行了橫向折疊,如圖2所示,即共面波導(dǎo)饋電(CPW-feed)的平面單極子倒L-U形天線。折疊后的尺寸較之原先有了較大的縮減。

  1.2 天線仿真結(jié)果分析

  應(yīng)用Ansoft HFSS仿真軟件,對圖2所示的天線進(jìn)行仿真。根據(jù)文獻(xiàn)的設(shè)計(jì)經(jīng)驗(yàn),饋線寬度選擇為3mm,介質(zhì)板采用了最為常用的FR-4,其相對介電常數(shù)為4.4,厚度為1.6mm。另外應(yīng)用軟件ApPCAD2.0,計(jì)算出共面波導(dǎo)饋電結(jié)構(gòu)的特性阻抗為50Ω時,饋線與地板之間的縫隙寬度約為0.6mm。

  天線電流傳輸方向的長度可以通過公式估算,本文所設(shè)計(jì)的天線需滿足覆蓋兩個頻段的要求,其中一個頻段覆蓋2.4GHz,另一個頻段覆蓋5.2GHz和5.8GHz。因此本文選擇兩個中心諧振點(diǎn)頻率分別為2.45GHz和5.25GHz。根據(jù)計(jì)算可知對應(yīng)于2.45GHz的Length1= 29.15mm,對應(yīng)于5.25GHz的Length2=13.61mm。由圖2可知,Length1=W2+L2+L5/2應(yīng)約等于29.15mm,Length2=L4+L5/2需略大于13.61mm。為了使整體結(jié)構(gòu)緊湊、小型化、寬帶化,本文將對天線結(jié)構(gòu)中的個別參數(shù)對天線性能的影響做仿真分析并加以比較。

  本文通過分析地板寬度W7、輻射貼片處的橫條寬度W3、輻射貼片與地板之間的縫隙W4、U形片的W2長度以及L形片的L4長度等幾個參數(shù)的變化對天線S11頻率特性的影響,經(jīng)過一系列的優(yōu)化對比,得出以下數(shù)據(jù),如表1所示。優(yōu)化后仿真所得的天線的仿真性能參數(shù)S11,VSWR以及遠(yuǎn)區(qū)場的方向圖如圖3~圖7所示。

  

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  由上述可知,該共面波導(dǎo)饋電的平面單極子倒L-U天線具有高阻抗帶寬、小型化的顯著特點(diǎn),其在-10dB處的阻抗帶寬有兩段,分別為2.36~2.58GHz和3.62~5.96GHz,前一段的相對帶寬為8.9%,后一段的相對帶寬為48.9%,覆蓋了WLAN的工作頻帶。

  

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( 發(fā)表人:小蘭 )

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