一種寬頻帶天線方案

　　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)標準的提出，WLAN得到了迅猛發展.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到IEEE 802.11a/b/g標準要求。所以，近年來對小型化的多頻段WLAN天線的研究大量涌現。

　　在平面單極子天線中，有一種倒L形平面單極子天線，國際上已經對此進行了研究，在理論模擬仿真上，可以同時滿足IEEE802.11a/b/g標準要求，其設計形式更簡單，在滿足帶寬的要求上，體積還可進一步的縮小。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上，改變其饋電的形式，研制出一種共面波導饋電的倒L-U平面單極子天線。仿真和實測表明該天線在WLAN的三個頻帶范圍內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計

　　1.1 天線分析與設計

　　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構不同在于：在金屬輻射貼片對應的介質襯底另一側的金屬地板被去除，也就是采用了部分地板結構。微帶天線的帶寬低，因為其Q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，而且結構更緊湊。但是由于天線與共面波導之間缺少有效的隔離，造成天線性能受共面波導尺寸的影響較嚴重。

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　　本文所設計的平面波導饋電(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，本文通過曲流技術中的折疊技術，將Length1的長邊又進行了橫向折疊，如圖2所示，即共面波導饋電(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 天線仿真結果分析

　　應用Ansoft HFSS仿真軟件，對圖2所示的天線進行仿真。根據文獻的設計經驗，饋線寬度選擇為3mm，介質板采用了最為常用的FR-4，其相對介電常數為4.4，厚度為1.6mm。另外應用軟件ApPCAD2.0，計算出共面波導饋電結構的特性阻抗為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，本文所設計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頻率分別為2.45GHz和5.25GHz。根據計算可知對應于2.45GHz的Length1= 29.15mm，對應于5.25GHz的Length2=13.61mm。由圖2可知，Length1=W2+L2+L5/2應約等于29.15mm，Length2=L4+L5/2需略大于13.61mm。為了使整體結構緊湊、小型化、寬帶化，本文將對天線結構中的個別參數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長度等幾個參數的變化對天線S11頻率特性的影響，經過一系列的優化對比，得出以下數據，如表1所示。優化后仿真所得的天線的仿真性能參數S11，VSWR以及遠區場的方向圖如圖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，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。