用于WLAN的双频单极天线的设计.docx
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用于WLAN的双频单极天线的设计
用于WLAN的双频单极天线的设计
摘要
无线局域网即WLAN是一架连接通信网与终端设备的桥梁。
随着该项技术的慢慢发展，WLAN在实际的生活以及工作中的应用愈渐普及。
无线局域网对天线有独特的要求是由其自身的特性决定的。
由此，应用于WLAN的天线需具备小型化、宽频带和双频段的特性以及要低剖面且易共形和易集成。
而微带天线的剖面低和易共形等优点几乎囊括了WLAN天线所要达到的这些特性要求，所以其对于无线局域网的实现来说是非常理想的选择。
本文章在对国内和国外相关文献研究的基础上，通过对微带线的学习、分析和仿真及针对WLAN标准的要求，在文中提出了一种用于无线局域网的双频印刷单极天线。
此款天线可以方便地植入到无线通讯设备中，并且有较强的实用性。
该天线是由50W的微带传输线通过耦合馈电的方式对其具有对称性结构的S型贴片馈电。
天线获得阻抗带宽可以覆盖无线局域网2.4GHz/5.2GHz/5.8GHz。
天线的总体尺寸为22mm×49mm，结构紧凑，便于加工，易于集成，适合于无线通讯中的应用。
文中给出了天线的设计及不同参数对天线性能的影响。
关键词：
WLAN；S型贴片；单极天线；耦合馈电；双频；小型化
Abstract
Wirelesslocalareanetworks（WLAN）isabridgeconnectingcommunicationnetworkandterminalequipment.Withthegradualdevelopmentofthistechnology,theapplicationofWLANinreallifeandworkisbecomingmoreandmorepopular.Wirelesslocalareanetworks（WLAN）hasuniquerequirementsforantennas,whicharedeterminedbyitsowncharacteristics.Therefore,theantennausedinWLANneedstohavethecharacteristicsofminiaturization,broadbandanddual-band,aswellaslowprofile,easyconformationandintegration.However,theadvantagesofmicrostripantennasuchaslowprofileandeasyconformalalmostincludethesecharacteristicsofWLANantenna,soitisanidealchoicefortherealizationofWLAN.Basedontheresearchofdomesticandforeignliteratures,thispaperproposesadual-bandprintedmonopoleantennaforWLANbystudying,analyzingandsimulatingmicrostriplinesandmeetingtherequirementsofWLANstandard.Theantennacanbeeasilyimplantedintothewirelesscommunicationequipmentandhasstrongpracticability.Theantennaiscomposedof50microstriptransmissionlinesbymeansofcouplingfeedtothesymmetryofthestructureofthes-shapedtilesfeeder.Theimpedancebandwidthacquiredbytheantennacancover2.4GHz/5.2GHz/5.8GHzofthewirelesslocalareanetworks.Theoverallsizeoftheantennais22mm×49mm.Ithascompactstructure,easytoprocessandintegrate.Itissuitableforwirelesscommunicationapplications.Thedesignoftheantennaandtheinfluenceofdifferentparametersontheperformanceoftheantennaaregiven.
Keywords:
WirelessLocalAreaNetworks;S-typepatch;monopoleantenna;couplingfeed;doublefrequency;miniaturization
第1章绪论
1.1研究背景及意义
无线局域网（WLAN）是一座把通信网络与终端设备连通的桥梁[1]。
上个世纪末期，FCC就宣告了将还未注册过的IndustrialScientificandMedical（ISM）频段面向各个潜在的用户开放。
自此，基于无线LAN的通信渐渐取得了广泛的普及与应用。
在无线网络技术日渐成熟发展期间，无线局域网（WLAN）也浸透了生活和工作的每个角落，它在其中发挥的作用愈渐膨胀，且应用意义极其宽广。
对于无线（Wireless）局域网的各项标准而言，研造出可用于WLAN通信网络的各个要求的天线有着十分重要的意义。
近年来，伴随着数据通信的发展，个人对通信愈渐高要求，而由此应声出现的无线局域网满足了用户们不管在何地点且何时都能自由间进行互通信息的需求。
作为一种无线网的接入形式的WLAN获广范围的应用是缘于其频带的免费性、组网的灵活性、移动简易等特性。
随着微小型电脑等移动终端（Terminal）设备的广泛普及以及无线通信技术的迅速发展，相应地对无线局域网类型的天线要求其更小型化、频段更宽、高性能且低剖面，使之符合愈渐增长的通信要求。
而当下各个国家对无线局域网开放2.4G（2400MHz-2500MHz）和5.8G（5700MHz-5850MHz）两个频段，故一般的WLAN工作在这两个频段或者其中一个频段，其一般使用单极天线线极化。
无线局域网（WALN）的信号主由无线电波传播，而无线电波的接和发的设备是天线，天线的性能的正确性将决定整体通信系统性能的趋向性。
微带天线恰好囊括了易于实现双频工作、小巧轻便、成本不高、剖面够低、集成简易等特征，所以其通常被用来投入到无线局域网的通信的研制中。
本文旨在设计一个可同时工作于（2400MHz-2500MHz）和（5700MHz-5850MHz）这两个频段的天线从而减少器件数量。
1.2国内外研究现状
天线在现代无线通信的发展中一直都是国内和国外学者的热门研究对象之一。
天线被设计成各式各样的形式从而应用于双频技术中。
设计的天线在结构上体现出差异性而且实现双频的方法也不一样。
到现阶段为止，学者们研究出的天线无论在形状上还是结构模型和性能参数方面都具有一定的优越性，然而，这些天线或多或少都还存在一些不足以及问题还待进一步研究改进。
例如文献[2]提出的天线，此天线的双频性是利用辐射贴片的非辐射边来开个矩形槽实现，此番设计在带宽方面达到要求，但因其设计天线尺寸偏大，结果制作成本也跟着增加，而且矩形槽本身也阻碍了贴片天线的辐射方向。
文献[3]提出的微带天线采用双层结构，同样能够达到双频效果，但是其天线的剖面较大和带宽方面都未达设计指标。
文献[4]其所研究天线双频特性的完成是利用了加载短路针的技术，该天线优势在于可由短路针的方位变化来调节双频的两频段，不足之处是两频间容易存在差生干扰以致降低天线的整体性能。
经过上述的研究看出，虽然双频天线发展性可观，但也需对其天线的性能作进一步的研究和改善。
在2014年6月的时候，大连海事大学的杜利博学者在其论文中提出了一款用于无线局域网2.4GHz/5.2GHz的通信系统。
系统中使用的WLAN双频天线实现双频的方式是把天线设计成平面单极天线结构，此天线能增加带宽是由于结构上被挖了一个U状槽[5]。
该文章是在借鉴了大量的与无线局域网双频天线有关的文献的基础上选中平面单极子天线结构来研制出工作于WLAN（2.4GHz-2.484GHz）和（5.15GHz-5.825GHz）之间的双频天线。
此天线设计的介质基板厚度为1.6mm,，其介电常数er为2.2及材质为Duroid5880。
天线的左右两侧都为L型结构，但其右方结构为改进型。
此外，右方天线结构可看成是被挖成U状的正方形细孔。
值得一提的是左侧和右侧的单极天线结构具有同等的宽度。
天线采用上述结构不仅使天线的尺寸得到显著的小化，而且使天线的带宽得到一定量拓展。
若要实现所要求的带宽和频段则需调整单极子天线的长和宽。
总的来说，杜学者研究的此款双频WLAN天线经过仿真优化之后看出其能够达到WLAN系统中天线的目标。
2015年来自西安电子科技大学的李文娟研究者和杨林研究者共同发表了有关于WLAN/WIMAX的双频带印刷单极子天线的专著集[6]。
该文章主要设计了一种适用于WLAN的双频段单极子印刷微带天线[7][8]。
该天线的辐射贴片呈树型，其用贴片边缘开槽方式增加电流回路，达到缩减天线尺寸的目的，天线谐振频率取决于参照地的结构尺寸。
天线为50W微带线馈电，微带线尺寸为W0×L0，介电常数为4.4。
其经HFSS仿真后得知天线在3.5GHz时的10dB阻抗带宽占19.7%，而工作于5.8GHz的占17.2%，说明仿真结果较理想。
此外，该天线辐射方向图实现了全向辐射效果。
此天线的优势还在于其结构简单，轻便且易于制作，所以可投入到WLAN/WIMAX无线通信系统中应用。
1.3论文主要内容
1.天线设计的要求及指标：
本次课题主在研究无线（Wireless）局域网（LocalAreaNetworks）天线的参数性能要求，并且掌握有关于双频单极天线的一般设计方法和设计过程，运用三维电磁仿真软件（本次论文仿真软件为HFSS）设计具有真实应用价值的能够用于WLAN的小型、双频单极天线，该天线需满足的设计指标：
（1）频率范围在2400MHz-2500MHz&5700MHz-5850MHz；
（2）增益值大于或者等于2dB；
（3）驻波需小于或者等于2。
2.论文章节安排如下方所述：
第1章：
绪论，介绍了本次课题的研究背景和意义，以及简明扼要地道出本次设计天线的要求和指标，简述了一下国内和国外与之相关的现状研究。
第2章：
此章节针对本次设计的WLAN双频印刷单极天线的基本理论进行了一番阐述，包括其馈电结构、基本天线性能参数、分析法以及相关的技术和工作原理。
第3章：
本节为此款天线的仿真设计与分析，描述了天线的结构模型，并且对基本的仿真操作进行了简要的描述，对增益、驻波、方向图等进行结果分析，并考虑各天线参数在天线的性能上的影响。
第4章：
天线的实物制作与分析，通过手工制作天线，让理论应用于实践中去，并且用实际数值印证仿真模型的准确性。
第5章：
结束语，此章节是对整篇论文来一个总的概括以及存在的不足作一个感想和反思，以便于后期的研究工作的顺利开展。
第2章用于WLAN的双频印刷单极天线基本理论
本章节主旨在于介绍一些有关于此次设计的天线的一些基本理论，包括其涉及的微带线馈电及耦合馈电、基本的天线性能参数及有限元数值分析法，并分别简述多频技术以及印刷单极天线的基本工作原理，这为论文后续的开展作下了理论储备。
2.1微带线馈电及耦合馈电
微带天线的基本馈电方式一般含同轴线馈电及微带线馈电。
本节面向的对象是微带线馈电。
线极化类型贴片的馈电方法中也包含着微带线馈电。
微带线馈电中的馈线与辐射贴片处于同一平面，此结构的分布便于一同光刻而且制作简易。
然而微带馈电线自身存在辐射性，使天线辐射方向受到干扰，以及使天线的增益呈现下降趋势。
为了减小微带线造成的干扰，因此在设计时注意微带线的宽度值W
l，还得注意微带天线特性阻抗
需略高些，以及基片厚度H不宜过大或介电常数
不宜太小。
馈电点在哪个位置会对微带天线的输入阻抗造成影响，所以要选择好馈电点方位是馈电性能好坏的关键。
例如当馈电点顺着矩形贴片的两侧移动时，其天线谐振电阻也会随之做出改变。
有时将微带线由相间处伸进贴片内部可以取得需要的阻抗。
微带线馈电的优势在于其辐射结构可以与馈电线一同光刻使得电路所获集成度高。
但其缺点不仅在于会产生干扰影响天线增益，而且其挑选的材料容易降低天线辐射效率。
耦合馈电是一种从20世纪末传出的非接触型馈电形式，其大体包含临近耦合和口径耦合这两种馈电形式。
耦合馈电不仅容易调节输入阻抗的大小，而且便于拓展天线的带宽，在当下微带天线渐渐向着小型、多频宽带化趋势靠拢下，耦合馈电正渐渐成为天线研究领域热门采用的馈电方式。
2.2微带天线的定义及分类
微带天线的形式千变万化，种类多多，其定义更是多种解说。
但一般而言，常用的微带天线由介质基板的一面附着金属材料作参考地即接地板，而异面为经光刻腐蚀等方式而制作成一定模样的金属性质辐射贴片，且其贴片上的馈电采用同轴探针或微带线，这就是所说的微带天线。
由于其结构特点的不一致，微带天线有如下四类[7]：
微带振子天线、微带贴片天线、微带缝隙天线以及微带行波天线。
本次设计将采用贴片形式的印刷天线，其为微带贴片天线的一种类型，而微带贴片天线包含有介质基板和分别位于基板两侧的任意平面形状的导电型贴片及接地板。
从微带贴片结构的基础上分析，若其导电的贴片是细长带条状，则为微带振子天线；微带缝隙天线包括介质基板和分别处于介质基板两侧的地板上开的缝隙及微带馈线组成；含有介质基板、且其板一侧有长TEM波传输线或者链状周期的结构及背侧的地板构成的被称为微带行波天线。
2.3单极天线基本参数及有限元数值分析法
2.3.1单极天线基本参数
天线是电路信号能量和空间电磁场能量之间的桥梁，一端连接激励或接收电路，另一端向空间辐射，因此描述天线的性能参数既有电路特性参数，也有空间特性参数[9]。
下文主要对单极天线的一些基本参数进行讨论，例如电压驻波比、输入阻抗、回波损耗S11、极化、反射系数、方向性和增益等。
天线的输入阻抗（InputImpedance）
作为天线的输入阻抗，它是输入的电压
与电流
的分数比。
此外其也等于辐射电阻
、损耗电阻
与输入电抗（radiationresistance）
三者相加。
从式子中可知，
与
比值越大则天线的辐射能力越好；
为电路中各介质等损耗；
代表储存于介质板内或天线近场区的能量。
当
大于0，主要存储磁场能量，而当
小于0时，存储的能量为主要是电场能量，若
=0，此时天线处在谐振状态。
反射系数、驻波比（SWR）及回波损耗
天线与传输线匹配程度通常用反射系数和驻波比体现。
SMA馈电口接头的特征阻抗一般为50W，天线阻抗以及SMA接头的阻抗需要共轭匹配，不然高频信号会在其间衔接处产生反射。
反射系数用
表示：
式中，
表示天线的输入阻抗，特性阻抗
为传输线或SMA的阻抗。
而在现实测试时，天线与连接设备间匹配程度是用回波损耗RL来分析。
天线与连接器的阻抗差值越小，它们的匹配度越高，而且使得RL取值越大。
当RL趋于¥，天线与连接设备间共轭匹配；而当它们间处于完全失配情况，在连接处的高频电平信号发生全反射使得RL为0值。
通常系统要求RL大于10dB[10]。
当用HFSS仿真时，天线的回波损耗常表示为
图像。
表示在端口1的反射损失。
与回波损耗RL的关系如下：
电压驻波比（VSWR）能够验证天线阻抗匹配性能。
从公式2.5看出，当G值为0，VSWR=1，则天线阻抗与连接器处于完全匹配状态。
VSWR值越高，能量被反射愈大，那么天线与电路间的相互能量传输越少，一般要求天线设计的VSWR小于2[11]。
辐射方向图、效率、方向系数及增益（Gain）
天线辐射方向特性的描述参数有方向图（辐射方向图）、增益（Gain）、方向系数等[12]。
辐射方向图是能够随空间参量坐标变化的图形。
在天线工程上分别用经过天线最大辐射方向上E面和H面对天线的方向性进行形象描述。
E方向图切面与电场走向平行，而H面的方向图切面与磁场走向互为平行关系。
方向系数是代表天线集中辐射电磁波能量的程度参数之一。
其与天线的辐射强度息息相关。
某个方向的辐射强度用U（q,f）表示：
式（2.6）中
（q,f）是天线的方位辐射功率，
表示立体角元。
而天线总辐射的功率可表示为辐射强度在整个立体角上的积分：
某个方向的方向系数用
（q,f）表示，其是在辐射功率相同时该方向上的
（q,f）与平均辐射强度之比：
方向系数缺少天线中存在的能量转换的效率的概念探究。
为了更准确的描述天线性能，参数“增益”此概念被引进。
h被定义为天线的效率，即：
由式（2.9）看出
、
、
、分别对应着天线的损耗功率、以及输入功率和辐射功率。
从天线效率可看出天线能量是否已有效转换。
天线的增益G与其输入功率以及效率h有关。
一般来说增益都默认指最大增益。
其关系如下：
天线的带宽（Bandwidth）
天线带宽与天线VSWR、回波损耗等参数有关联。
若设计天线时被要求VSWR<2，回波损耗大于10dB，那么天线带宽是包含以上条件的频带。
天线的带宽有两种表现形式：
绝对带宽与相对带宽[13]。
绝对带宽△
体现为：
式（2.11）中，在满足定量的性能要求时，
代表频率上限，而
为频率下限。
相对带宽
体现为绝对带宽（
）与中心频点
的比值：
单极天线的极化参数（Polarization）
单极天线一般是线极化，而极化的方向代表着电场走向。
对于极化而言，若电场矢量沿空间直线运动，则为线性极化；若其在圆上运动，则为圆极化；若其沿椭圆螺旋线运动，则为椭圆极化[14]。
对于线极化天线来说，水平极化是电场走向和地面平行，若电场走向与地面构成90°关系则是垂直极化。
而对于圆极化而言，电场矢量逆向运动成左旋圆极化，顺时针走向为右旋圆极化。
2.3.2有限元数值分析法
变分原理是有限元数值法的基础，有限元是把场域的边值问题转成为普通多元化函数的极值的问题，求解所得的多元代数方程组获取所需求解边值问题的数值解。
有限元数值法步骤概括为：
（1）离散化计算区域，划分子域；
（2）选取插值函数类型；（3）建立相关方程组。
（4）求解方程组，获取相关待求边值的数值解。
HFSS三维电磁仿真是有限元法的代表，它能直接获得特征阻抗、S参数以及辐射场、天线方向图等分析结果。
HFSS有着灵活的宏语言和清晰的后处理数据，结果准确，并且能够实现快速扫频等技术。
但当问题规模增大时计算量与之增快。
2.4印刷单极天线工作原理
单极天线拥有全向辐射特性和宽带性并且于天线工程中应用极广泛。
而印刷单极子天线是单极天线的改良版，它本身体积小、结构简单、低度剖面、集成容易，而且兼具单极天线的宽带性质。
平面单极子天线结构中含有馈电结构、金属性辐射单元、薄型介质基板和参考地板四个部分，其中辐射结构的形状可任意选取，常用矩形。
此种天线的最低谐振频率
取决于辐射结构的长度数值
和宽度
。
根据圆柱体近似法[15]，可得出如下
、
和
的关系：
公式（2.13）中等号左侧的
、
各自代表这圆柱体的高以及半径，而频率
的单位是GHz，参数
，
以mm为单位。
由以上公式只是粗略计算此类型天线的基本尺寸。
而在现实设计中，若要达到设计目标需用到软件的优化设计。
通常，辐射贴片长度L一般取相应导波处于真空中的最低工作频率时的四分之一波长，即1/4l。
2.5天线的多频技术
今下多频天线广泛普及于无线通信网络中，了解多频技术的相关理论其对于天线的设计是不可或缺的。
多频技术与辐射单元及介质基板等结构有关，多频化的完成方法如下：
采用单一贴片相关的自然模式达到双频工作的目标。
改变贴片天线场分布（各自然模中）可使谐振频率被扰进而实现多频工作（含双频），例如在辐射贴片部分将缝隙加载。
将多个寄生贴片给分配到单层基板促进多频工作的开展。
用多个层面的贴片叠加起来得到多个谐振器，获得多个频段工作的性能与特性。
单极天线的多频实现常用到多谐振长度法。
为了得到多个谐振频率投入多频工作中，可在其天线的结构上用不一样的谐振器加载。
第3章WLAN、双频印刷单极天线的设计与分析
本节围绕一款用于WLAN的、双频、印刷的单极天线展开设计仿真与分析。
天线是由50W的微带线经过耦合馈电的形式对S型对称辐射贴片馈电[16]。
本节主讲其设计过程以及采用HFSS仿真后的讨论与分析。
3.1天线的结构及分析
图3.1天线的平面模型
图3.2天线的具体结构
本次设计的天线结构相对简单且紧密，有利于后期的集成和加工。
天线采用了耦合馈电的方式，其不仅使输入阻抗难以调试的问题得以解决，而且对天线如何扩展带宽的方面起到了很好的作用。
天线的平面模型如图3.1所示。
本款天线总体的尺寸为22mm×49mm。
如图3.1所示，天线主要由五个部分组成，分别是位列xoy平面模型左侧的矩形地板、位于右侧的S型对称贴片、T型馈电结构、位于左底部的馈电接口以及介质基板。
T型的耦合馈电部分在介质板的一侧，而S型辐射结构和地板位于介质基板的另一侧。
T型结构的长度为32mm，而S型辐射单元的尺寸是22mm×15.5mm，并且其对称于Y轴。
天线印刷的介质基板的厚度为1mm，介电常数为2.2，板子材料选择RogersRT/duroid5880（tm）。
矩形地板的尺寸为22mm×25mm。
辐射结构主要的组成部分是两个长短不一的谐振路径。
长谐振路径是用于产生2.4GHz的WLAN谐振模式，路径组成为2个对称状的S贴片（不含公共部分）构成。
另一处于两贴片的短路经是为了产生无线局域网5.2GHz或者5.8GHz的谐振模式。
由文献[17]的讨论分析，此番的馈电模型把天线的阻抗带宽大大地拓宽了。
表3.1天线结构各参数
介质基板宽度
W
S型贴片总宽
W
地板宽度
W
介质基板厚度
H
S型贴片各宽度
W1、W2、W3、W4、W5、W6
S型贴片总长
L2
S型贴片各长度
L3、L4、L5、L4+T
地板长度
L1
如图3.2所示和表3.1所示，W表示的是宽度（包括介质基板、S型对称贴片、地板），L2代表的是S辐射贴片的长度，T+D+L1为T型馈电结构的一段长度，L1是地板的长度，H代表介质基板的厚度，而下方的黑色T型则为馈电接头。
在此列出这些相关的参数以及结构图有利于后面关于不同的参数对所设天线的各性能影响的分析。
3.2天线的仿真设计与分析
.天线的仿真设计
本节天线的仿真设计是采用基于有限元法的HFSS软件电磁仿真软件。
在仿真软件使用中，将设计的天线模型求解类型为modal（模式驱动），且将T型结构、参考地和S辐射贴片的边界条件都设置为理想导体（perfectE）。
辐射边界表面的材料选择vacuum，且规格为90mm×120mm×60mm。
本次仿真模型的端口激励设置的是集总端口激励方式，求解频率Solut
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