用于WLAN的双频圆极化天线的设计.docx
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用于WLAN的双频圆极化天线的设计
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用于WLAN的双频圆极化天线的设计
摘要
天线作为接收和辐射电磁波的部件是无线通信系统中的一个重要的组成部分，而微带天线所具有的体积小、重量轻、易共形、剖面低、容易集成等各种特点正好符合了WLAN天线的要求，由于微带天线本身具有频带窄、高品质因数、效率低等缺点限制了它们的应用，因此工作可以实现收发一体的功能的双频带天线，就可以处理同步进行发射与接收的两个不同的频段的信号。
单极子和偶极子天线为线极化天线，如果发射端与接收端都为线极化天线，则当两者平行时接收效率最高，两者垂直时接收效率最低。
在实际应用中，若接收天线与发射天线垂直时很难接收到有用信号，故可考虑设计圆极化天线来进行替代，使发射与接收天线在任意角度都能有较好较稳定的信号传输。
普通的微带天线设计的带宽窄，因此本文通过在介质基板开缝的方式，调节两对对角缝隙的长度来实现双频圆极化，通过缝隙进行耦合馈电的方式供给天线激励，拓展了天线的带宽，并且可以在2.4GHz-2.5GHz和5.7GHz-5.85GHz两个频率之间达到指定的增益。
关键词：
圆极化；双频；WLAN；微带缝隙天线
Abstract
Theantennaisanimportantcomponentofthewirelesscommunicationsystemasacomponentforreceivingandradiatingelectromagneticwaves,andthemicrostripantennahasthecharacteristicsofsmallsize,lightweight,easyconformality,lowprofile,easyintegration,etc.Therequirementsoftheantenna,duetothenarrowband,highqualityfactorandlowefficiencyofthemicrostripantennaitself,limittheirapplications.Therefore,theantennaworkinginthedualbandcanrealizethefunctionoftransmittingandreceiving,sothatitcanprocesssynchronoustransmissionandreception.Thesignalsoftwodifferentfrequencybands.Themonopoleanddipoleantennasarelinearlypolarizedantennas.Ifboththetransmittingendandthereceivingendarelinearlypolarizedantennas,thereceivingefficiencyisthehighestwhenthetwoareparallel,andthereceivingefficiencyisthelowestwhenthetwoarevertical.Inpracticalapplications,ifthereceivingantennaisdifficulttoreceiveausefulsignalwhenitisperpendiculartothetransmittingantenna,itmaybeconsideredtodesignacircularlypolarizedantennainstead,sothatthetransmittingandreceivingantennascanhavebetterandstablesignaltransmissionatanyangle.Thebandwidthoftheconventionalmicrostripantennadesignisnarrow.Therefore,thedouble-frequencycircularpolarizationisrealizedbyadjustingthelengthofthetwopairsofdiagonalslitsbyslittingthedielectricsubstrate,theantennaexcitationisprovidedbymeansofaslot-coupledfeed,whichexpandsthebandwidthoftheantennaandachievesaspecifiedgainbetweentwofrequenciesof2.4GHzto2.5GHzand5.7GHzto5.85GHz.
Keywords:
Circularpolarization;dualfrequency;WLAN;microstripslotantenna
第1章绪论
1.1无线局域网的概述
计算机网络和无线通信技术的发展成熟使得无线局域网技术应运而生。
无线局域网技术突破了传统的有线局域网需要合理布线的限制，不需要我们肉眼可以看到的电缆，但是可以提供有线局域网的所有功能，将无线多接入信道运用到无线局域网中使得计算机通信的发展更具有个性化和多元化。
无线局域网不在需要花费人力脑力去思考如何合理的布线，并且不受电缆设计的限制，而是利用真空中电磁波接收数据和发送数据，实现了数据之间的透明传输，传输的范围更广，也具有更高的灵活性，它具有比传统的网线拥有更好的经济效益。
在无线局域网环境中，传送和接收数字信号的设备称为接入点（AP），通常情况下，一个接入点可以在几百米的区域内连接多个无线用户，同时可以经由标准以太网电缆成为有线以及无线网络他们之间的链接点，使得无线和传统的有线网络得以相互连接[6]。
WLAN的终端用户可通过无线网络卡等方式访问网络。
WLAN有许多实施方案，使用最广泛的是无线保真技术-无线网络（WIFI），这实际上提供了一种技术，可以使用无线互连各种终端，减小了用户不同终端所产生的差异。
由此我们可以知道无线局域网为生活带来了极大的便利。
1.2选题的目的及意义
随着科学技术和社会的逐步发展，现代无线通信系统的天线对性能的要求逐渐增多。
简单的线性极化天线早已难以满足很多人的需求。
单极子和偶极子天线是线性极化的，如果发送端和接收端两者是线性极化天线，接收效率最高的时候是当两个为平行时，并且垂直时的接收效率最低。
如果接收天线在垂直于发射天线时难以接收到有用信号，则可以考虑设计圆极化天线，使得发射和接收天线可以在任何角度具有相对稳定的信号传输。
圆极化天线的应用也变得更加普遍。
传统的微带天线符合圆极化轴比要求的工作带宽只能达到相对带宽的1％，相对来说不够宽[4]。
为了扩大天线的工作带宽，专家们发明了两层堆叠或者多层堆叠的微带天线，后来还加入了小天线单元的阵列天线，这几种天线在一定程度上增加了工作带宽，但是也需要馈电网络的合理设计来提供天线激励，馈电网络的设计带来了一定的操作难度，这种天线的结构也相对复杂，对后期的加工制作带来一定的难度[7]。
单层的微带天线结构简单，不需要馈电网络的支撑，对满足小型化和薄体积的场合，比如我们手机中的定位天线有着重要的意义，同时也可以兼顾多个频段，因此微带天线的运用也是很广的，但是它的缺点就是工作的带宽太窄[4]。
由于微带天线的缺点本身限制了它们的应用，越来越多的研究已经开始研究如何改善它们的缺点并充分利用它们的优点使它们更适合于实际应用。
微带缝隙天线与传统的贴片相比具有更宽的带宽，它是通过在表面开槽的方式，通过调节表面上的缝隙长度或者宽度，来达到满足设计频率和带宽的要求，并且还避免了双层堆叠会引入空气层的环节，同时天线的结构也比较简单，对后期加工来说比较简单[4]。
通信领域的迅猛发展加之5G的时代即将到来，使得天线的技术也需要与时俱进，研究出具备多个工作频段能力和超大带宽的天线成为了我们研究的首要问题。
1.3微带缝隙天线的发展现状
1.3.1国外的发展动态
最简单的微带缝隙天线的工作带宽可以达到相对带宽的20%，为了增加工作带宽可以增加导体表面的缝隙数，但是这种方法会导致天线的辐射效率降低，对馈电线和天线之间的匹配也会产生不好的影响，反而减小天线的工作带宽。
P.Rakluea和N.Anatrasirichai在泰国提出了一种双L型微带缝隙天线，天线的两个其中心频率为2.4GHz和5.2GHz，工作的带宽分别达到了322MHz和250MHz，实现了WLAN超宽的工作频率要求[1]。
加拿大曼尼托巴大学的SaeedI.Latif提出了L形的微带缝隙天线，L.Shafai提出了倒T形微带缝隙天线，天线的尺寸为50mm×80mm，中心频率大概为4GHz，其工作的带宽达到了相对带宽的80%，对通信领域的发展有着重要的作用[1]。
手机电脑日渐朝着小型超薄的方向发展，运用在通信系统中的天线的小型化也就成为了我们首要关心的问题。
美国ShinhoKim等人设计了一种可以接收信号，同时又可以发送数字信号的缝隙天线阵列，该天线体积小，低耦合的优点恰好满足了运用在无线局域网中的天线的需求[2]。
1.3.2国内的发展动态
一种新型的X形微带缝隙天线已经由上海大学汪伟等设计出来，缝隙单元的激励方式使用箭头形的微带线馈电，介质基板上的缝隙数一共有四个，缝隙的形状为直角三角形的形状。
天线的工作带宽达到21%，天线的谐振频率为1.7GHz，且工作带宽大，天线的结构非常对称，容易进行加工制作[1]。
南京航空航天大学的顾长青与韩国栋提出一种在缝隙上加载射频微机电系统开关的天线，这种天线在一定频率范围内具有可调能力，从而实现天线的可重构性[1]。
南京邮电大学的吕文俊等设计出一种T型的微带缝隙天线，该天线的馈电方式为交叉形状的微带线馈电的方式，该天线的结构与一般的微带缝隙天线结构基本相同，天线的馈电方式采用电抗加载的方式，通过合理的调节可以实现天线的多频工作频带的特性[1]。
空军工程大学的高向军、王光明、张晨新提出一种圆形宽缝天线，天线的馈电结构采用交叉形状的，为了获得天线和馈电线之间的练好匹配，可以改变馈电点的位置和馈电网络中交叉形状的长度[1]。
上海大学的张俊文、钟顺时提出一种新颖的v形微带缝隙天线结构，该天线的工作带宽可以覆盖超大频段范围，达到了1776MHz，并且天线的增益在频带范围内达到了6.5dB之高[3]。
虽然天线的性能好，但是其结构却很简单，并且体积薄，也易于加工，可以应用到大带宽多频无线通信领域。
第2章微带缝隙天线
2.1微带缝隙天线的原理
缝隙天线是通过切开导体的表面形成的天线，电磁波辐射通过缝隙向外部空间或外侧空间的电磁波通过缝隙进入所述系统。
由于它的低轮廓，重量轻，和薄外形，微带缝隙天线是适合用作在飞机上的共形天线。
一个理想的缝隙天线是在无限大的理想导体平面开狭缝。
狭缝的横向尺寸比纵向尺寸要小得多，并且所述纵向尺寸是接近半个波长。
缝隙天线更多的运用在波导上，也称为波导缝隙天线。
由波导表面上开放部分的狭缝，该电磁场可被向外辐射。
该间隙必须切断波导臂表面上的表面波。
为了获得强辐射，间隙应以在高电流密度的地方被打开。
缝隙天线不具有共振大小限制，但是他最终必须与负载相匹配，以保证行波的传播。
增加缝隙天线工作带宽的一种方法是时隙加载技术，即，在形成于贴片或微带贴片天线底板上的间隙，并在同一时间，使不同的缝隙通过微带贴片也就是相当于引入了阻抗匹配组件，为了扩大电流的有效路径，可以通过改变缝隙口的大小，从而使得天线的工作带宽得到增加[8]。
上述所述的方法均可拓宽微带天线的带宽，它们组合在一起也能有效地拓展微带天线的带宽。
微带天线往往牺牲其他参数规格，同时扩大带宽。
因此，在设计天线时，综合考虑，要测量带宽和其他指标之间的关系。
2.2缝隙天线的加载技术
对天线进行设计时候如果使用缝隙加载技术天线进行馈电，后期的加工都比较容易实现，并且可以通过在介质基板上调剂缝隙长度的方式，获得多个频带的兼容性，以满足实际生活中不同情况下的需求。
并且在调节缝隙长度的过程中，天线的谐振频率不会随着缝长度的变化而变化。
在对天线仿真时，需要对天线的各项参数进行分析，如天线的增益、天线的方向图以及电压驻波比等等，通过对这些参数的分析来确定是否符合实际的需要。
分析天线问题的本质就是求解电场和磁场的关系，再通过电场和磁场的关系来求得导体上的表面电流和表面磁流，最后通过源场的理论来求得源场区的天线的辐射[8]。
然后获得在远场区域中的辐射。
假设微带天线上缝隙的电流为
时，天线的辐射电阻如下：
（2-1）
其中
是波长，
是间隙的长度，
是从微带馈线中心到间隙中心的距离，辐射电阻可以通过
和
的比值来调整，当
，辐射电阻会随着他的增幅而减小。
当
表示为间隙谐振长度，它可以表示为[8]：
（2-2）
其中
为缝隙中的波长，引入的等效缝隙的缝隙长度为
，这是因为缝隙边缘的电流不为零的时候所导致。
当不同形状的槽在贴片上的时候，电流在贴片的流动会产生变化，从而创建一个新的电流谐振路径，使微带天线能够实现多频段的运作。
当在贴片上开缝过多时，不可能精确地计算在间隙中的电场，并且不可能精确地确定远场的方向图。
在这种时候，近似尺寸然后根据理论和模拟进行计算，通过软件建模优化找到确切的大小[8]。
2.3微带天线的理论分析方法
对于天线的理论分析来说，它的本质就是分析电场和磁场的关系。
微带天线有三种主要的理论分析方法。
一种是传输线方法，另一种是腔膜理论，第三种是积分方程方法。
在传输线的方法，是通过传输线理论获得在狭缝的切向电场，并且由等效原则得到的缝隙的表面的磁通密度，并且最终得到的辐射场的场源。
整个微带天线的辐射场可以从由两个狭缝的二进制矩阵来获得，而输入阻抗也可从等效传输线来计算[9]。
微带谐振器是腔膜理论的基础，经典腔模理论就是在这个基础上发展起来的。
罗远祉等提出了一种将微带天线视为微带线腔体的模型，对于等效电壁和等效磁壁结构来说，谐振式微带天线的形状与微带谐振腔并没有很大的区别[10]。
因此我们一般都是使用腔膜理论来分析问题。
分析微带谐振器的一般方法是定义腔的边界条件，找到腔中的主模，并计算谐振频率，品质因数和输入阻抗。
单模理论就是将这种方法运用到微带天线中，腔膜理论是基于共振理论建立的腔内电磁场方程，推导出腔内电场和磁场的函数表达式，然后利用它们的函数表达式，以及联立他们的边界条件和激励条件，求解腔中的场，并获得腔的边缘表面上的电场场和磁的分布。
最后，等效源由该边缘面上的场分布推导出来，最后由近场区计算微带天线的远场区；用于分析所述微带天线的积分方程方法首先需要建立微带天线的积分方程。
有两种常用的方法：
一种按照设计的要求，通过根据给定模型来建立格林函数和源场之间的关系，然后获得积分方程；另一种是利用反应概念和互易性建立反应积分方程[11]。
第3章微带天线技术
3.1微带天线多频技术
实现双频、多频、双极化等特点的多功能微带天线在这些领域的应用具有很大吸引力，各国投入了大量的科研力量，现已经出现多频段、多极化，频率或极化动态切换等的各种多功能天线。
目前，利用微带天线实现双频或者多频工作的方法一般有：
（1）采用单一贴片的模式控制技术。
最简单的是激励相同结构的两个不同模式（如TM01和TM10模具为矩形块）。
通常，这些操作状态可以通过控制辐射表面电流的流动而获得。
（2）利用等效电抗加载的办法。
电抗加载微带天线依然由单一的辐射单元所构成，早期是将同轴短路或微带短路接于矩形贴片的辐射边缘，可实现双频段工作特性；近年来也开始采用在辐射结构边缘伴随加载，开多个缝隙以及微谐振结构获取加载的电抗来实现等效多谐振。
（3）采用共用地板，多个辐射贴片的结构，如果具有不同的谐振尺寸（工作波长/频率）的贴片用于获得多谐振特性，其中在一个单个辐射贴片形成多个辐射元件的微带天线，以形成也可用于多频谐振。
（4）采用多层重叠贴片的结构。
如利用多个独立辐射结构粘接形成多个谐振器，从而产生多频段工作特性；采用多层贴片重叠、各自馈电的圆形贴片结构得到具有双频段工作特性的微带天线。
（5）采用双频技术与宽频带技术相结合来实现多频工作。
首先实现双频工作,然后在两个主要的工作频点上扩展工作频段，从而达到实现多频工作的目的。
这种方法多适用于几个工作频段比较接近的情况。
3.2微带天线产生圆极化的方式
对于单层的微带贴片天线来说，实现圆极化是比较简单的，通常有两种方法：
单馈点法和多馈点法[10]。
其中，腔膜理论是单馈点法的基础，单馈点法就是在这个基础上发展起来的。
这种方法不用外加的馈电网络和功率分配器，而是利用不同的两种工作模式的主模，这两个简并膜的关系是正交极化的关系。
对于各种传统贴片天线，只要在贴片下方的腔区域中存在一对正交极化的模式，并且当辐射场之比为±j时，可以形成圆极化辐射[9]。
而多馈点方法主要包括双馈电点法和四馈电点法。
双馈点方法主要通过设计两个馈电点，由这两个馈电点产生一对极化正交并且幅度相等的简并模（即，这两种模式具有90°的相移相等幅度），天线圆极化的工作条件由馈电网络的设计来保证，而四馈电点的方法是需要设计四个馈电点，这四个馈电分别将电流传输给自己对应的贴片单元，并且这四个馈电点之间的相位差为0°、90°、180°、270°，当供给馈电点有相同幅度的电流时，就可以产生圆极化[9]。
第4章天线的设计
4.1介质基板及其材料的选择
设计一个微带天线的首要任务是选择介质基板，并确定其厚度。
对于介质基板材料的介电常数和介电损耗角正切来说，它们的参数会影响一系列的整个微带天线的性能指标。
一般来说，介质基板的厚度h越大，就会有较低的品质因数Q，介质基板厚度的增加等同于从所述的介质基板的腔体内辐射的能量增加，所以拥有的工作带宽越大，频率范围覆盖越宽；然而，当h增加时，天线的方向特性会受到影响，这是因为表面波会被激发；同时h增加时，天线的损耗也将增加，并且辐射效率也将会相应的降低。
为了便于后期加工，介质基板h不可过大，但是也不可太小。
对于介电常数
，
越大微带天线的体积会减小，但同时带宽也会相对的减小。
4.2天线的耦合馈电
微带线馈电技术是出现时间最早的馈电方式。
馈电分有直接接触型馈电和非直接接触型馈电，直接接触型的带宽窄，并且会激起表面波，从而影响收发天线的隔离度，所以耦合馈电应运而生。
耦合馈电又有孔径耦合馈电，运用孔径耦合馈电分析天线比较容易，天线的阻抗匹配比较容易调节，所以具有显著的阻抗带宽，因此，本次设计采用孔径耦合的方式对天线进行馈电。
口径耦合在增加天线带宽和使天线小型化中有重要的应用，在孔径耦合馈电中，分别将馈电线和贴片分别放置在接地板的两侧，两块介质板之间是接地板。
而在电磁耦合馈电中恰恰相反，这种结构的同一侧同时放置馈线和天线贴片。
对于孔径耦合来说，一般是通过在接地板正对上层辐射贴片的中心位置开孔。
这个孔一般比较小，电磁场通过微带馈线耦合到天线辐射贴片上，其中接地板处孔径半径的大小以及它的形状都会影响磁场的耦合度，交叉极化电平通过这种方式得以有效控制。
耦合孔径的尺寸分两种，一种是谐振的，一种是非谐振的。
使用谐振型的耦合孔径，天线的工作带宽比较宽，但是天线的前后向比的值低，天线的后向辐射会增大，因此它的辐射效率也会降低，所以一般采用的是非谐振型的耦合孔径。
孔径耦合的结构简单，进行优化之时更容易调节，对天线贴片的敏感度较低，因此对于后期的加工制作较为简易，且天线的工作带宽也比较理想。
4.3天线的结构
天线结构的俯视图如下图所示，天线的尺寸为35mm*35mm*2mm。
由切槽的电介质基板上，双频通过调节的对角线间隙的长度来实现，而其它两个狭缝被用于生成两个正交的电场，并且调整长度可以调节两个辐射电场之间的相位差。
当两个正交电场具有相等的幅值和90度的相位差时，圆极化辐射得以实现。
为了实现天线更好的阻抗匹配,在介质基板的底层开了一个半径为0.6mm，高为0.035mm的圆柱体（介质基板敷铜的厚度一般为0.035mm），天线为单层结构，结构十分简单，便于后期的加工制作。
经过优化后的缝隙尺寸的参数如表4.1所示：
图4.1天线的俯视图
表4.1缝隙尺寸的参数
名称
单位（mm）
名称
单位（mm）
h1
14
w1
14
h2
6.35
w2
7
v1
1.3
d1
13.5
v2
5.6
d2
8.5
t1
15.5
d3
3
t2
9.5
t3
3
对于微带缝隙天线来说，缝隙的尺寸以及加载位置会对天线的性能产生影响，一般来说，天线的缝隙尺寸越宽，或者越长会使得天线的尺寸更小，天线的谐振频率也会往低频的方向移动，但是随着宽度的增大，天线的增益以及轴比也会收到一定的影响，因此会牺牲天线的某一特性来获取另一个好的特性，缝隙的长度和宽度是比较难以调整的，因此在设计的过程中要折中考虑，综合天线的各项因素，一下分析天线的分析的尺寸对天线的性能的影响。
图4.2分析了上表中w1的大小对天线的影响，由图可以看出，w1在12mm-15mm之间对低频部分的回波损耗值没有很大的影响，只会改变天线的谐振频率，随着w1的增大，当w1为16mm时候，低频部分的回波损耗值在要求的频段内全部大于-10dB；而对于高频部分来说，天线的回波损耗值随着w1的增大而减小，天线的性能变好，并且随着w1的增大，高频部分的谐振频率往低频的方向移动，高频部分逐渐被分成两个工作频段，天线具有可以工作在三个频段的工作带宽。
由最终的分析可得，当w1=14mm的时候能够在任务书要求的频段内满足回拨损耗小于-10dB的要求。
图4.2w1对天线性能的影响
图4.3给出了w2对天线性能的影响，由图可以分析出，对于低频部分来说，随着w1的增大天线的回波损耗逐渐减小，天线的性能变好，并且天线的谐振频率随着w1的增大往高频部分移动；对于高频部分来说，随着w1的增大，天线的回波损耗值逐渐增大，天线的性能变坏，并且随着w1的增大，高频部分的谐振频率随着w1的增大向低频部分移动。
由分析可得出，当w2=7mm时能够满足设计的要求。
图4.3w2对天线的影响
图4.4给出了d1长度的变化对天线的影响，由图可以分析出，当W1逐渐增大时，对于低频部分来说，天线的工作带宽逐渐增大，但是随着d1的增大，天线的回波损耗增大，天线的性能变坏；对于高频部分来说，天线的回波损耗随着w1的增大总体来说变小，但是变化不是很明显，由分析可知，当d1=13.5的时候，天线的回波损耗值最好。
图4.4d1长度的变化对天线的影响
图4.5分析了t1的长度对天线性能的影响，由图可以看出，t1对天线的回波损耗的影响是比较大的，对于高频部分来说，随着t1的增大天线的谐振频率随着t1的增大向低频移动，t1过大时，天线的回波损耗在整个频段内大于-10dB，由图可以分析出，当t1=15.5mm时候，天线的性能最好。
图4.5t1的长度对天线性能的影响
第5章仿真结果分析
图5.1分析了基板宽度对天线回波损耗的影响，由图中可以看出低频段天线的回波损耗随着介质基板宽度的增加而减小，当介质基板的宽度等于35mm时，天线的回波损耗最理想。
图5.1天线的S11
图5.2给出了介质基板厚度的大小对天线的影响，
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