WIFI頻段波束可切換開關(guān)天線的設(shè)計(jì)與實(shí)現(xiàn)

李晨楠+劉玉虎+傅世強(qiáng)

摘 要：提出一種基于單片機(jī)控制的波束可切換WIFI頻段2.4 GHz開關(guān)天線。該天線基于微帶偶極子天線的結(jié)構(gòu)變形，通過兩路天線同時(shí)工作使其在水平面上分別向六個(gè)方向呈60°輻射信號(hào)，實(shí)現(xiàn)均勻覆蓋，并增加引向單元來進(jìn)一步提高天線的方向性與增益。利用單片機(jī)數(shù)控微波二極管的通斷，實(shí)現(xiàn)多波束輻射的靈活切換。仿真和實(shí)驗(yàn)結(jié)果表明，該天線的輸入匹配良好，輻射特性明顯增強(qiáng)，可用于無線路由器終端以提升無線局域網(wǎng)的性能和速度。

關(guān)鍵詞：無線局域網(wǎng) WIFI頻段 波束切換 微帶偶極子天線

中圖分類號(hào)：TN82 文獻(xiàn)標(biāo)識(shí)碼：A 文章編號(hào)：1674-098X（2016）07（c）-0089-02

無線局域網(wǎng)（Wireless Local Area Network，簡稱WLAN）是計(jì)算機(jī)網(wǎng)絡(luò)與無線通信技術(shù)相結(jié)合的產(chǎn)物。WLAN是相當(dāng)便利的數(shù)據(jù)傳輸系統(tǒng)，它通過射頻技術(shù)，利用看不見的電磁波，取代了舊式冗長的雙絞銅線所構(gòu)成的有線局域網(wǎng)絡(luò)，在空中進(jìn)行無線通信連接。

天線處于WLAN無線通信系統(tǒng)最前端，其性能的好壞決定了整個(gè)系統(tǒng)的指標(biāo)。影響WLAN信號(hào)的因素有很多，首當(dāng)其沖的便是距離，其次則是障礙物的阻隔。為了獲得較大的信號(hào)增益，并抑制低需求方向的信號(hào)強(qiáng)度，同時(shí)削弱對(duì)所需求方向造成的潛在干擾，故設(shè)計(jì)具有波束可調(diào)功能的定向天線具有重要意義。

1 天線結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)與功能實(shí)現(xiàn)

圖1為所設(shè)計(jì)的天線結(jié)構(gòu)示意圖，該天線單元采用微帶偶極子變形結(jié)構(gòu)，印制在普通FR4電路板的正反兩個(gè)面上。正面為深黑色填充部分，由一個(gè)半徑R1的中心銅片和其周圍的六個(gè)通過尺寸為L2×W2的饋線連接的尺寸為L3×W3的輻射單元組成，六條饋線均通過微波二極管與中心銅片連接，每一條支路都利用單片機(jī)數(shù)控微波二極管的通斷，來分別控制每路天線工作。輻射單元采用傾斜的微帶偶極子結(jié)構(gòu)來增大波束寬度，為了提高增益，在兩路輻射單元前方加入了兩個(gè)尺寸為L4×W4的引向單元，其作用是通過引向器集聚能量來提高天線的方向性。背面為淺灰色填充部分，反射單元為兩條尺寸為L1×W1的V型微帶條結(jié)構(gòu)，使電磁波能量收斂在一定角度，來進(jìn)一步提高天線增益。在背面中心截出一個(gè)半徑為R2的環(huán)形孔，讓半徑為R3的饋電探針通過該孔與正面銅片實(shí)現(xiàn)匹配連接。利用80C52單片機(jī)控制數(shù)控微波二極管的通斷，使天線的任意相鄰兩路同時(shí)工作，并以水平面60°角向外輻射，實(shí)現(xiàn)了360°任意方向的波束切換。通過改變輻射單元、反射單元和引向單元尺寸來優(yōu)化其方向性和提高增益。

2 天線仿真和實(shí)驗(yàn)結(jié)果

利用專業(yè)的三維電磁場仿真軟件HFSS對(duì)天線結(jié)構(gòu)進(jìn)行了大量的優(yōu)化分析，最終獲得的天線尺寸參數(shù)為：L1=28 mm，W1=4 mm；L2=50 mm，W2=2 mm；L3=20 mm，W3=3 mm；L4=33 mm，W4=3 mm；θ1=60°，θ2=30°；R1=3 mm，R2=1.2 mm，R3=0.5 mm。

仿真得到的天線輸入匹配S11曲線如圖2（a）所示，從圖中可以看出，在整個(gè)2.4 GHz無線局域網(wǎng)WIFI頻段內(nèi)，天線輸入匹配較好，S11曲線均低于-18 dB，并且在2.45 GHz附近達(dá)到最佳。圖2（b）為兩個(gè)單元天線同時(shí)工作的輻射方向性圖曲線，通過仿真結(jié)果可以看出，該天線結(jié)構(gòu)的方向性較好，增益可達(dá)5 dB，半功率波瓣寬度超過60°。為了驗(yàn)證設(shè)計(jì)方案的可行性，最終進(jìn)行了天線的實(shí)物加工測試，如圖3所示。利用矢量網(wǎng)絡(luò)分析儀測試天線在WIFI頻段駐波比小于1.5，實(shí)現(xiàn)了良好匹配，符合設(shè)計(jì)要求。

3 結(jié)語

基于微帶偶極子天線的結(jié)構(gòu)變形，提出一種基于單片機(jī)控制的波束可切換WIFI頻段2.4 GHz開關(guān)天線。利用HFSS仿真軟件對(duì)天線進(jìn)行優(yōu)化設(shè)計(jì)，并進(jìn)行了實(shí)物加工和測試。仿真和實(shí)驗(yàn)結(jié)果表明，該天線的輸入匹配良好，輻射特性明顯增強(qiáng)，可用于無線路由器終端以提升無線局域網(wǎng)的性能和速度。

參考文獻(xiàn)

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