2.4GHz非对称缝隙波导天线设计

表2
T ab. 2
500 m 空旷地带天线性能测试结果
T esting results o f antenna perfo rmance thr ough an open ar ea 500 m aro und
发射端
接收端
信号强度/ %
无线路由器原装全向天线 无线网卡原装全向天线
24
单面 16 槽波导缝隙天线 无线网卡原装全向天线
增刊 1
程 浩等: 2. 4 GH z 非对称缝隙波导天线设计
S 63
辐射功率的幅度和相位. 可以在很多位置上开裂 缝, 常用的有 3 种: 横缝、纵缝、斜缝. 根据其在波 导壁的位置, 缝隙可有不同的形式. 各种辐射缝隙 的波导如图 1 所示. 由图可知, 辐射缝隙基本沿切 断波导壁上的传导电流方向( 箭头指向) 分布.
2 天线的设计与测试
缝隙波导阵天线在许多微波通信和雷达系统 中得到了广泛应用. 这类天线是在波导窄壁或宽 壁开有裂缝的阵列, 它们既可以是谐振式的, 也可 以是非谐振式的. 裂缝波导阵典型设计的第一步 是研究确定天线阵尺寸、裂缝类型及馈电方法; 然 后进行分析, 以确定各个裂缝的尺寸和位置, 并预 测一下天线阵的性能; 最后一步便是制造和测试 天线性能, 以验证分析设计的正确性. 2. 1 波导缝隙类型选择
图 5 无线网络覆盖示意图
Fig. 5 Cov erag e o f campus wireless netwo rks signal
3结论
本文经反复试验获得大量有力的数据并制作出 较为成熟的 2. 4 GHz 非对称缝隙波导天线, 天线增 益效果明显, 信号传输距离和范围与现有产品比有 很大提升, 稳定性好, 抵抗恶劣环境能力较强, 能够 满足正常使用要求, 材料成本低廉, 便于生产加工.
水平瓣角/ ( )
120~ 160 120~ 160
60~ 90 60~ 90 30~ 45 30~ 45
垂直瓣角/ ( )
30~ 45 30~ 45 20~ 30 20~ 30 15~ 20 15~ 20
辐射方向
天线正面区域 天线正面与反面区域
天线正面区域 天线正面与反面区域
天线正面区域 天线正面与反面区域
图 2 谐振式缝隙阵( 驻波阵)
Fig . 2 Resonant slot ar ray ( standing w ave arr ay)
图 1 波导辐射缝隙类型及电流分布
F ig. 1 T ypes o f wav eguide slot and cur rent dist ribution
2. 2 尺寸和位置确定 根据缝隙单元间距和馈电方式的选择, 波导
[ 2] RICH A RDSON P N , YEE Huang y uet, 杨士毅, 等. 裂缝波导天线阵的设 计和 分析[ J] . 现代雷 达, 1989 ( 1) : 24 34
[ 3] 张立东. 超薄型 平板 缝隙 阵单脉 冲天 线设计 与仿 真 [ J] . 上海航天, 2006( 1) : 61 64
Design of 2. 4 GHz asymmetric waveguide slotted antenna
CHENG Hao* , LI Yang
( College of Stor age & Transportati on and Architectural Engineering, China University of Petroleum ( East China) , Qingdao 266555, China )
图书馆六楼平台, 接收端架设在校园北侧江山小 区住宅楼七层, 如图 4 所示. 使用双路由器桥接构 建无线网络, 两地相隔 600 m, 中间有 2 栋建筑物 阻挡. 使用波导缝隙天线测试结果: 接收端信号接 收强度为 33% , 完全满足宽带上网的需要. 若发射 端与接收端使用原装天线则搜索不到任何信号.
J
y
gy
文章编号: 1000 8608( 2011) S1 S062 03
2. 4 GHz 非对称缝隙波导天线设计
程 浩* , 李 洋
( 中国石油大学( 华东) 储运与建筑工 程学院, 山东 青岛 266555 )
摘要: 无线网络技术在近年得到蓬勃发展, 而 目前无 线设备的 天线限 制了无 线通信 系统的
在波导壁上开一个半波长裂缝会切断波导壁 电流, 因而建立了一个电场, 并从裂缝辐射出射频 功率. 裂缝的尺寸及位置和波导内的电场确定了
收稿日期: 2010 08 04; 修回日期: 2011 02 04. 基金项目: 国家大学生创新性实验计划资助项目( 091042531) .
作者简介: 程 浩* ( 1987 ) , 男, 本科生, E mail: ch enghao_upc@ 163. com .
关键词: 波导缝隙天线; 增益; 天线设计 中图分类号: T N92 文献标志码: A
0引言
随着互联网的普及, 无线网络技术在近年得 到蓬勃发展, 其灵活的接入方式是现有有线网络 所不能达到的. 但是目前无线设备的天线限制了 无线通信系统的性能. 无线路由器与无线网卡使 用的天线多为单极子、双极子、PCB 板印刷天线 以及栅网天线等. 这几类现有天线在低增益的民 用级产品方面, 信号增益小, 覆盖范围以及传输距 离都有很大不足. 例如: 家用路由器以及网卡多使 用的是单极子、双极子天线, 其在室外传输距离只 有 300~ 500 m, 室内为 100~ 300 m , 这就大大限 制了民用无线设备的信号覆盖范围. 在高增益的 企业级产品方面, 现有天线的成本很高. 例如: 较 高增益的天线产品价格少则几百元, 多则上万元, 这就大大增加了大型企业构架大面积无线信号覆 盖的成本, 制约了无线网络的广泛应用. 解决无线 信号的传输问题, 提高无线网络应用水平, 已成为 无线网络发展中亟待解决的一个重要课题.
2. 3 天线性能测试 无线 设 备 使 用 可 拆 装 天 线 的 LINKSYS
WRT 54G 无线路由器, 采用原装全向天线与单面 16 槽波导天线进行对比试验.
( 1) 500 m 空旷地带测试 在空旷地带相距 500 m 两地分别架设发射端 和接收端, 使用不同天线配置进行对比试验. 以上 文所述单面 16 槽天线为例, 试验结果如表 2 所示.
为方便取材, 作者选择了 100 mm 44 mm 2. 5 mm 铝合金扁管制作天线, 这里选择宽面纵缝.
缝隙阵列天线可分为谐振阵( 驻波阵) 和非谐振阵 ( 行波阵) 两种. 采用端馈或中馈且终端短路的波 导缝隙天线, 当缝隙间 距 D = g / 2 时, 波导腔内 的电场分布呈驻波状态, 叫做谐振阵( 驻波阵) , 如 图 2 所示.
针对现有天线的不足, 本文设计并制作一种 应用在 2. 4 GH z 频段的无线网络通信的非对称 波导缝隙天线.
1 波导缝隙天线机理
电磁波在位于自由空间的波导内传输时, 波 导壁上会产生传导电流. 当波导壁上有切断传导
电流的缝隙时, 传导电流转换成空间位移电流对 波导内壁电流产生扰动, 波导内耦合部分电磁能 量通过缝隙向自由空间辐射, 形成一个辐射源. 常 用的波导缝隙天线是在矩形波导上开缝, 缝隙的 位置可以在波导的宽壁上, 也可以在波导的窄壁 上, 如果所开缝隙截断波导内壁表面电流线( 即缝 隙不是沿电流线开) , 表面电流的一 部分绕过缝 隙, 另一部分以位移电流的形式沿原来方向流过 缝隙, 因而缝隙被激励, 向外空间辐射电磁波. 只 要是在波导壁上切断电流方向的缝隙就能使波导 中传输的能量向外辐射[ 1] .
尺寸/ ( m m mm mm )
100 44 900 100 44 900 100 44 1 400 100 44 1 400 100 44 2 000 100 44 2 000
图 3 单面/ 双面 8 槽天线设计示意图
F ig. 3 Schematic diagr am o f sing le/ double side 8 slot antenna
Abstract: T he wireless netw ork t echnology has developed rapidly in recent years, while the ant enna limit s
the performance of wireless communicat ion system. Because of low gain, short transmission dist ance and high cost of current wireless device, a kind of asymmetric waveguide slott ed antenna w as desig ned w hich w as used for 2. 4 GHz wireless communicat ion. In order to meet dif ferent demands, six patt erns were designed. On the basis of t heoret ical design, using CNC milling machine and usual Al alloy, mature product was developed aft er repeated experiments and optimization. Wireless netw ork is set up on the campus to test it s performance: the ant enna has high gain, which has long w ireless signal transmission dist ance. Compared w ith ordinary ant enna, it has long life and high stability and low cost. Also, it is easy t o machine.
第 51 卷
图 4 600 m 穿越障碍测试架设点示意图
F ig. 4 Po sitio n of test ing po ints standing 600 m apa rt acro ss o bstacle
( 3) 校园内架设测试网络 发射端 A 点架设在中国石油大 学( 华东) 青 岛校区工科楼 C 座, 桥接端 架设在学 生公寓 13 号楼, 使用双路由器桥接构建无线网络, 用 WDS 无线分布技术, 实现了无线网络的无缝连接. 桥接 端 B 点位于学生公寓 13 号楼楼顶, 无线网络覆 盖范围如图 5 所示, 蓝色部分是高空区域无线信 号覆盖区域, 由于受楼层阻挡, 在低空区域, 浅绿 色为实际可用无线信号覆盖区域. 10 个月不 间断 试验测 试表 明: 网 络信 号稳 定, 速度较快, 阴雨 大雾天气网络信号无明显变 化, 可以满足正常使用要求.
致谢: 中国石油大学( 华东) 教务处给予了大力支 持, 储运与建筑工程学院团委提供实验室并协助架 设校园试验网络. 中国石油大学( 华东) 金工实习实 践基地在天线制作时提供了无私帮助, 洪利副教授 给予了辛勤指导以及对研究工作提出了宝贵建议.
参考文献:Biblioteka Baidu
[ 1] 魏文元, 宫德 明. 天线原理[ M ] . 北京: 国防工业出 版 社, 1985
天线型号
单面 8 槽 双面 8 槽 单面 16 槽 双面 16 槽 单面 24 槽 双面 24 槽
增益大小/ dBi
12~ 14 10~ 12 16~ 18 14~ 16 22~ 24 20~ 22
表 1 6 种造型天线的参数
T ab. 1 P arameters o f 6 ty pes of antennas
为满足不同级别用户的需求, 设计并制作了 6 种不同造型, 分别为单面 8 槽、双面 8 槽、单面 16 槽、双面 16 槽、单面 24 槽、双面 24 槽. 表 1 表明了 6 种造型天线的参数. 图 3 所示为单面/ 双面 8 槽 天线. 槽数, 即缝隙单元数. 槽数较少、覆盖角度较 大、增益较低的天线适用于小区域内多方向信号 覆盖的场合; 槽数较多、覆盖角度较小、增益较高 的天线适用于长距离单方向信号覆盖的场合.
性能. 针对现有无线局域网设备天线增益效果差、传输距离 短、成 本较高 的不足, 采用 波导缝 隙天线原理设计用于 2. 4 GH z 的无线网络 通信的 非对称 波导缝 隙天线, 为适 应不同 场合使 用要求, 设计了 6 种造型. 在理论设计的基础上, 采用常 见铝合金 材料, 使用数 控铣床 加工出 试验品, 经反复试验和优化, 制作出较为成熟的 产品. 在 校园内架 设试验 网络测 试表明: 天线 增益效果明显, 信号传输距离和范围与现有产品比较有很大提升, 稳定性好, 抵抗恶劣环境能 力较强, 能够满足正常使用要求, 材料成本低廉, 便于生产加工.
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单面 16 槽波导缝隙天线 单面 16 槽波导缝隙天线
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从表 2 中数据可以看出, 两端均使用波导缝隙 天线时信号强度比使用路由器原装全向天线时高 出 40% 以上, 波导缝隙天线的增益效果十分明显.
( 2) 600 m 穿越障碍测试 发射端架设在中国石油大学( 华东) 青岛校区
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大 连理 工 大 学学 报