王落芬,林文斌,楊廣立
(1.西南交通大學(xué)電磁場與微波技術(shù)研究所,成都 610031;2.美國摩托羅拉公司,紐約 11742)
隨著無線通信技術(shù)的發(fā)展,人們對通信的要求也越來越高。無線局域網(wǎng)技術(shù)已經(jīng)有十幾年的歷史了,但是在最近幾年才得到了很大的發(fā)展。這種技術(shù)是利用計算機(jī)網(wǎng)絡(luò)與無線通信網(wǎng)絡(luò)互相交換數(shù)據(jù)的一種方式,是對有線網(wǎng)絡(luò)的一種補(bǔ)充。與有線網(wǎng)絡(luò)相比,無線通信技術(shù)無論在何時、何地、何人都能進(jìn)行任何種類的消息溝通。無線局域網(wǎng)的發(fā)展十分迅速,關(guān)于這方面的研究也是越來越多[1~8]。近年來,已經(jīng)相繼推出了無線局域網(wǎng)IEEE 802.11a標(biāo)準(zhǔn)(5.150 GHz~5.350 GHz,5.725 GHz~5.875 GHz)和 IEEE 802.11b/g標(biāo)準(zhǔn)(2.4 GHz~2.484 GHz)。
近幾年來,智能機(jī)已成為當(dāng)下手機(jī)的主流,WLAN也是其特色之一。利用WLAN上網(wǎng)與傳統(tǒng)GPRS上網(wǎng)相比速度快,已成為時下熱點(diǎn)。由于手機(jī)中空間是有限的,傳統(tǒng)的倒L-L型天線占據(jù)面積比較大;因此如何在有限的空間中設(shè)計出滿足要求的WLAN天線已成為大勢所趨。
根據(jù)傳統(tǒng)的倒L-L型天線模型[8~10],將其末端折疊。該結(jié)構(gòu)緊湊,可以明顯減小天線的體積,很適合應(yīng)用于結(jié)構(gòu)緊湊的手機(jī)中。此外利用共面波導(dǎo)饋電方式以增加高頻處的帶寬,實(shí)現(xiàn)了一款WLAN天線的設(shè)計。該手機(jī)天線尺寸小,帶寬寬。
根據(jù)傳統(tǒng)的倒L-L型天線的基本結(jié)構(gòu)及工作原理提出了一款新型的適用于手機(jī)中的WLAN天線,其整體結(jié)構(gòu)如圖1(a)所示。基板為圖中陰影部分,材料為常用的聚四氟乙烯(FR4:介電常數(shù)為4.4,損耗角正切值為0.02)?;搴穸葹?.2 mm,整體大小為60 mm×120 mm。該天線饋電時利用了共面波導(dǎo)饋電技術(shù),因此為滿足天線結(jié)構(gòu)特性阻抗為50 Ω的要求,饋電線與接地板間的間隔為0.8 mm,饋電線的寬度為2 mm。天線整體大小為10 mm×35 mm,倒L-L結(jié)構(gòu)的線寬均為1.5 mm。天線結(jié)構(gòu)的具體尺寸在圖1(b)中有詳細(xì)標(biāo)注。
圖1 天線結(jié)構(gòu)示意圖
由雙頻微帶天線工作原理可知,如果要使天線能工作在兩個頻段,則需要在其上激勵起兩條諧振長度相應(yīng)于工作頻段波長的面電流。而倒L型左枝比較長,則可在低頻的四分之一波長附近產(chǎn)生諧振,右枝比較短,和共面波導(dǎo)部分共同對高頻處產(chǎn)生了影響。
利用全波仿真軟件對該結(jié)構(gòu)進(jìn)行仿真,掃頻范圍設(shè)置為2 GHz~6 GHz,采用共面波導(dǎo)饋電技術(shù)。天線的回波損耗與頻率的關(guān)系,如圖2所示。為驗(yàn)證該天線的實(shí)用性,對天線進(jìn)行了實(shí)物加工,并利用安捷倫矢量網(wǎng)絡(luò)分析儀進(jìn)行了測試,從圖2中可見,實(shí)測和仿真值均能完全覆蓋WLAN的IEEE 802.11a和IEEE 802.11b/g標(biāo)準(zhǔn)。從圖2中可以看出仿真和實(shí)測值存在差異,主要是由SMA接頭接觸不良及實(shí)驗(yàn)室中測量儀器及環(huán)境的影響帶來的誤差,另外基于數(shù)值方法的仿真的限制與實(shí)測情況必然也是存在差別的。
圖2 天線回波損耗的實(shí)測值與仿真值對比
為了驗(yàn)證共面波導(dǎo)饋電對天線帶寬的影響,利用共面波導(dǎo)饋電技術(shù)和直接饋電時回波損耗的結(jié)果對比圖,如圖3所示。從圖中可以看出,利用共面波導(dǎo)饋電可以明顯增加高頻處的帶寬。
圖3 兩種饋電方式的結(jié)果對比圖
在2.45 GHz、5.2 GHz和 5.8 GHz時的天線電流分布圖,如圖4所示。由于L-L結(jié)構(gòu)的電長度要長,因此可以產(chǎn)生低頻處的諧振,圖中4(a)中的電流分布主要集中在倒L-L結(jié)構(gòu)上即說明了這點(diǎn);5.2 GHz和5.8 GHz時,電流分布則主要集中于饋電部分,因?yàn)楦哳l處諧振的電長度要小。上述現(xiàn)象也很好的解釋了圖3的結(jié)果。
圖4 三個頻率下的電流分布圖
該天線在 2.45 GHz、5.2 GHz和5.8 GHz 時天線的輻射方向圖,如圖5所示。由圖中可見,天線在低頻處天線的方向圖與傳統(tǒng)的單極子的類似,高頻處方向圖發(fā)生一些畸變,但是基本呈現(xiàn)全向性。天線的方向圖整體性能良好。
圖5 三種頻率下的輻射方向圖
天線在 2.45 GHz、5.2 GHz和 5.8 GHz時增益的三維方向圖,如圖6所示。在2.45 GHz時增益可達(dá) 4.77 dBi,5.2 GHz時為 4.56 dBi,而 5.8 GHz 時則達(dá)到了 4.61 dBi。
圖6 三種頻率下的天線三維增益輻射方向圖
天線的仿真總效率和輻射效率,如圖7所示。從圖中可見,該天線在低頻處的總效率大于79%,輻射效率大于90%,而高頻處(>4.77 GHz)的總效率大于77.5%,輻射效率大于83%。由于實(shí)驗(yàn)條件的限制,上述效率為仿真值,在實(shí)際環(huán)境中由于其他環(huán)境因素等的影響實(shí)際效率會比仿真值稍低。
圖7 天線的仿真總效率和輻射效率
通過觀察仿真結(jié)果以及上述分析可知,該天線的帶寬完全可以滿足WLAN的國際標(biāo)準(zhǔn),并且在所需頻段內(nèi)具有良好的全向性。結(jié)構(gòu)尺寸小,適合應(yīng)用于手機(jī)中。
通過對傳統(tǒng)倒L-L型天線進(jìn)行折疊改造,并利用共面波導(dǎo)饋電技術(shù)設(shè)計了一款應(yīng)用于手機(jī)中的小型WLAN天線并進(jìn)行了實(shí)物加工。該天線結(jié)構(gòu)尺寸小、覆蓋頻帶寬(IEEE 802.11a 和 IEEE 802.11b/g 標(biāo)準(zhǔn))、方向圖性能良好并且效率高,在現(xiàn)代手機(jī)天線系統(tǒng)的設(shè)計中有潛在的應(yīng)用價值。
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