新型宽频带多频段WiFi天线的设计

新型宽频带多频段WiFi天线的设计
陈利锋;熊祥正
【摘要】基于无线WiFi网络应用，设计一款适用于WiFi频段的宽频带多频段终端偶极天线。

采用偶极天线设计原理来实现WiFi多频带，同时在天线结构正下方对天线进行耦合加载，实现驻波叠加以拓宽天线的带宽，降低天线的驻波比(VSWR)，提高WiFi天线的增益(Gain)以提高天线的性能。

制作加工了WiFi天线实物且实测，结果表明，基于HFSS仿真结果与实物实测的结果相当吻合，因此设计的这款天线非常适用于WiFi移动终端。

%A wideband multi⁃band teminal dipole antenna suitable for WiFi frequency band was designed on the basis of ap⁃plication of wireless WiFi network. The WiFi multi⁃bandand is realized with the dipole antenna design principle to achieve the increase in bandwidth of the antenna which is beneath the antenna structure,obtain active standing⁃wave superposition loaded by coupling,reduce antenna standing⁃wave ratio(VSWR),and improve the WiFi antenna(Gain)so as to improve the perfor⁃mance of the antenna. The WiFi antenna was manufactured and measured. The results show that the HFSS simulation results are quite consistent with physical measured results. Therefore,the antenna is ideal for WiFi mobile terminals.
【期刊名称】《现代电子技术》
【年(卷),期】2013(000)007
【总页数】3页(P86-88)
【关键词】驻波比降低;宽频带;多频段;WiFi;偶极天线
【作者】陈利锋;熊祥正
【作者单位】西南交通大学电磁所，四川成都 610031;西南交通大学电磁所，四川成都 610031
【正文语种】中文
【中图分类】TN822-34
0 引言
随着移动互联网数据通信飞速发展，宽带无线接入技术得到快速发展及应用，如WiFi、蓝牙技术（Bluetooth）等，高速率的宽带接入技术不断发展提速，一方面广泛利用现有频率资源（如2.4 GHz，5.8 GHz工作频段）来实现高的数据接入速率，目前随着个人数据通信的发展，对无线网络通信的需求不断提高，作为极有应用前景的通信技术，设计工作在IEEE 802.11b协议标准移动终端天线频段范围为2.4～2.482 5 GHz，中心频率为2.44 GHz；在IEEE 802.11a协议标准移动终端天线工作频段范围为5.15～5.825 GHz，中心频率约为5.49 GHz。

近年来，半波偶极子天线得到广泛应用，基于半波偶极子天线的原理，本文设计一种基于平面型微带结构的偶极天线，微带结构的长度约为1/2个工作波长，加载偶极天线中间的两个相邻端口上激励起等幅反向的电压信号。

从中心馈电的非对称微带偶极天线，其两端为开路，故电流为零。

由于天线辐射贴片结构正下方有耦合贴片加载，可以大大减少天线的尺寸及增加天线的带宽，偶极天线还有结构容易加工，制作简单，成本低的优势。

因此，在目前的移动通信终端系统里，尤其是移动终端的广泛使用，按照IEEE 802.11a及IEEE 802.11b协议WiFi移动终端天线的
指标要求，创新地设计性能优越的微带偶极结构天线，采用高频电磁仿真软件（HFSS）对天线结构尺寸仿真优化，并加工实物实测天线的性能与仿真分析的结果相当吻合。

1 WiFi天线设计
WiFi天线设计采用基于偶极天线辐射原理，用半波长非对称微带线结构来实现，为了进一步缩小天线的尺寸，可以采用非对称的微带线结构和间隙电磁耦合加载，以满足移动终端天线的空间结构。

图1为设计的微带偶极天线的结构模型，整个WiFi天线结构模型大致分为以下几个部分，即介质层（FR4_epoxy）、低频（2.44 GHz）偶极子天线、高频（5.49 GHz）偶极子天线、微带馈线、耦合微带贴片。

根据偶极天线原理理论分析，其谐振频率大约估算为：
式中：c为光速；l为偶极天线臂长；ε为填充介质介电常数。

图1 天线的结构示意图
文中创新地采用了耦合贴片加载的方法拓宽天线高频段的带宽，为便于后续的天线参数化分析，即分析天线的各个参数对天线性能的影响，采用HFSS设计建模时首先定义天线的结构变量，使用参数扫描分析优化天线的结构尺寸，以满足设计要求的天线参数。

最终优化天线几何参数如表1所示，天线采用50Ω微带馈电网络。

文中在微带贴片天线的基础上设计适用于WiFi终端的宽频带天线，采用介电常数为ε=4.4，厚度为h=1 mm的PCB。

表1 天线结构参数尺寸表?
2 天线仿真分析结果
采用Ansoft HFSS软件进行建模仿真分析，从图2仿真曲线来看，去掉耦合贴片时，低频段的带宽及谐振效果变化不明显，高频段谐振深度大大增加，谐振效果变
好，但高频段带宽不能满足天线的设计要求，天线正下方加载耦合贴片时，利用电磁耦合方法来实现天线辐射源与寄生贴片之间耦合，实现改变天线的谐振回路，能够形成多个谐振回路，因而具有多个谐振频率，从而展宽高频段天线的带宽，适当优化调节天线各项参数能够得到多个比较接近的谐振频率，以形成频带拓宽的多峰谐振网络。

有利于增加天线的高频段带宽。

图2 去掉耦合贴片回波损耗S11仿真曲线对比图
工程上通常以天线的-10 dB为天线的工作带宽，工作频段为 2.31～2.57 GHz，4.66～10 GHz，相对带宽分别为10.65%，97%。

从图2，图3可知：天线谐振频率点在2.44 GHz，仿真分析回波损耗值为-23.06 dB，实测回波损耗值为-38 dB，由于仿真模型与实际天线结构有差异，对比可知，实测性能相比于仿真性能更好。

由图2可知，天线的谐振点在5.49 GHz，此时的回波损耗值为-16.58 dB，图2明显可以看出，加了耦合贴片加载，低频段的工作带宽基本没影响，大大增加了天线高频段的工作带宽，并且大大降低了回波损耗值。

由图4，图5可知，2.44 GHz谐振点的增益达到2.17 dB，5.49 GHz谐振点的增益达到4.15 dB，可知满足WiFi天线设计的指标要求。

天线加工实物图如图6所示。

图3 加上耦合贴片回波损耗S11实测图
图4 2.44 GHz增益图
图5 5.49 GHz增益图
图6 天线加工实物图
3 结语
本文设计一款新型的WiFi终端天线，基于传统偶极微带结构天线的分析与改进，设计一款非对称偶极天线微带结构。

利用电磁耦合加载方法，实现加载耦合贴片不仅拓宽天线的高频段带宽，而且减少了天线的物理尺寸，使天线在高频段频带内有
很好的匹配效果，还可以增强天线的前向辐射。

并对天线的性能做仿真实测分析，结果表明，该天线的各项性能指标完全满足协议中对WiFi终端天线的要求，同时该天线结构简单，加工容易并且成本低廉，具有很好的应用前景。

参考文献
[1]李明洋，刘敏，杨放.HFSS天线设计[M].北京：电子工业出版社，2011.
[2]HETTAK K，Delisle G Y，Stubbs M G.A novel variant of dual polarized CPW fed patch antenna for broadband wireless comunictions[C]//2000 IEEE Antennas and Propagation Society International Symposium.Salt Lake City， UT， US： IEEE，2000：286-289.
[3]钟顺时.微带天线理论与应用[M].西安：西安电子科技大学出版社，1991.
[4]林昌禄.近代天线设计[M].北京：人民邮电出版社，1990.
[5]方大刚.天线理论与微带天线[M].北京：科学出版社，2006.
[6]阮成礼.超宽带天线理论与技术[M].哈尔滨：哈尔滨工业大学出版社，2006.。