雙頻共面電容耦合對稱低輪廓微帶天線的研究

摘 要：本文提出了一款雙頻共面電容耦合對稱低輪廓微帶天線。該天線將同軸探針饋電方式與耦合饋電方式進行了有效的結(jié)合，融合共面、地輪廓等要素，制作出一款適用于WLAN系統(tǒng)的微帶天線。本文在設(shè)計優(yōu)化天線結(jié)構(gòu)的基礎(chǔ)上，制作了一款共面電容耦合對稱低輪廓微帶天線，并經(jīng)過網(wǎng)絡(luò)分析儀等測試儀器進行測試，結(jié)果表明：該天線適用于WLAN雙頻系統(tǒng)中。

關(guān)鍵詞：同軸探針饋電；耦合饋電；WLAN

中圖分類號：TN820

無線局域網(wǎng)的快速發(fā)展，給人們的生活帶來了極大的便利，同時也對無線產(chǎn)品提出了更高的要求，即需同時具有雙頻段、寬帶寬、高增益、全輻射等特性。傳統(tǒng)的無線產(chǎn)品所采用的天線饋電方式大都為單一的微帶饋電或是同軸探針饋電。本文提出了一種共面電容耦合對稱低輪廓微帶天線的結(jié)構(gòu)，嘗試結(jié)合同軸探針饋電方式及電容片耦合饋電方式來制作一款適用于WLAN中的雙頻天線，文中利用HFSS軟件對提出結(jié)構(gòu)進行了仿真優(yōu)化，并制作出樣品，最終樣品測試結(jié)果表明：該結(jié)構(gòu)可用于無線局域網(wǎng)中。

1 天線設(shè)計及仿真

圖1 天線俯視圖

圖2 天線正視圖

天線的設(shè)計結(jié)構(gòu)圖如圖1、圖2所示，該天線結(jié)構(gòu)底層為介質(zhì)板，上層為兩個關(guān)于電容片對稱的輻射板，饋電位置在接地板上，通過同軸探針饋電至電容片，并通過電容片耦合饋電至與其共面的兩個對稱輻射板上。

本結(jié)構(gòu)經(jīng)過仿真，發(fā)現(xiàn)其能具有雙頻特性，因基于應(yīng)用于無線局域網(wǎng)系統(tǒng)中的雙頻段含802.11b（2.4-2.48GHz）和802.11a（5.15-5.35GHz），故進一步對該結(jié)構(gòu)進行優(yōu)化，使其工作在2.4GHz和5.2GHz的雙頻段上，以便適用于無線局域網(wǎng)系統(tǒng)中。

通過仿真比較各種情況下天線結(jié)構(gòu)的諧振頻段，為了讓天線取得工作在2.4GHz和5.2GHz的雙頻效果，最終確定天線采用以下尺寸和材料：輻射板長度L=46mm，輻射板寬度W=27mm，耦合電容片寬度t=4mm，耦合電容片長度s=5.2mm，電容片和輻射板距離d=6mm，介質(zhì)板和接地面空隙g=5.5mm，介質(zhì)板選取FR4材質(zhì)，介電常數(shù)ε=4.4，厚度h=1.6mm，中心頻率為2.4GHz。

通過對天線結(jié)構(gòu)的仿真優(yōu)化，天線的回波損耗和3D增益圖如下：

圖3 天線的回波損耗

圖4 3D增益圖

由圖可看出，增益最高值為6dB，且方向圖是對稱的。

2 天線仿真與實物的結(jié)果分析與比較

根據(jù)以上天線結(jié)構(gòu)的仿真結(jié)果和結(jié)構(gòu)參數(shù)，進一步制作了天線實物，圖5即為所設(shè)計天線的實物照片。

（a）頂面

（b）側(cè)面

（c）背面

圖5 天線的實物圖

圖6為天線實測的回波損耗，由圖可以看出，天線獲得良好的匹配，但在實際過程中，出現(xiàn)了少許頻偏現(xiàn)象。

圖7和圖8是中心頻率為2.4GHz時的仿真和實測方向圖（E面和H面），可以看出，實測基本與仿真效果吻合，圖9和圖10為中心頻率為5.2GHz時的仿真和實測方向圖（E面和H面），可以看出，雖然出現(xiàn)了一些誤差，但也基本能反應(yīng)出方向效果。

圖6 實測回波損耗

（a）仿真2.4GHz E面

（b）實測2.4GHz E面

圖7 GHz時天線仿真和實測的E面

（a）仿真2.4GHz H面

（b）實測2.4GHz H面

圖8 GHz時天線仿真和實測的H面

（a）仿真5.2GHz E面

（b）實測5.2GHz E面

圖9 5.2GHz時天線仿真和實測的E面

（a）仿真5.2GHz H面

（b）實測5.2GHz H面

圖10 5.2GHz時天線仿真和實測的H面

3 結(jié)束語

本文先是提出了共面電容耦合對稱低輪廓微帶天線的結(jié)構(gòu)，通過對其仿真優(yōu)化，并比較各種情況下的諧振頻段，確定其尺寸和材料，使其可以工作在2.4GHz和5.2GHz，可以應(yīng)用于WLAN 802.11b（2.4-2.48GHz）和802.11a（5.15-5.35GHz）的系統(tǒng)中，在此基礎(chǔ)上，設(shè)計制作了實物，并與仿真效果進行了分析比較，從對比結(jié)果來看，該結(jié)構(gòu)可以應(yīng)用于無線局域網(wǎng)系統(tǒng)中。

參考文獻：

[1]Veeresh G.Kasabegoudar，K. J. Vinoy，Coplanar Capacitively Coupled Probe Fed Microstrip Antennas for Wideband Applications.IEEE Transactions on Antennas and Propagations，2010（10）：3131-3138.

[2]普良，張小苗.WLAN印刷天線的設(shè)計[J].電子科技，2009（12）：1-5.

[3]張學(xué)輝，趙雯，劉學(xué)觀.用于WLAN的雙頻天線的設(shè)計與實現(xiàn)[J].通信技術(shù)，2010（07）：41-45.

作者簡介：吳俊，助理工程師，碩士，主要研究方向：無線通信、信息傳輸。

作者單位：太倉市環(huán)境保護局，江蘇蘇州 215400