（信息与通信工程专业论文）无线局域网双频微带天线及低噪声放大器的设计.pdf

中文摘要 摘要 随着无线通信技术的飞速发展，无线局域网( w l a n ) 的应用范围越来越广。 伴随着无线局域网( w l a n ) 中各项标准的出台，必须研制适用于各种标准的无 线局域网天线。本文基于无线局域网i e e e 8 0 2 1 1 9 标准的要求，提出了一款新的双 频微带天线结构，并对天线结构进行了分析，借助于h f s s 仿真软件对天线进行了 优化设计。根据优化设计结果，对天线进行了实际的加工测试。结果表明，测试 结果与仿真结果基本一致，且该微带天线的谐振频率分别为2 4 5 g h z 和5 2 5 g h z ， 相对带宽分别达到3 3 和1 3 1 ，满足无线局域网i e e e 8 0 2 1 1 9 协议的要求。 低噪声放大器( l n a ) 是射频接收机前端电路的重要组成部分，一般用作各类 无线电接收机的高频或中频前置放大器，要求它的噪声系数( n f ) 越小越好，同 时要求它有尽可能大的增益。本文详细的介绍了用a d s 设计线性小信号低噪声放 大器的全过程，其中包括介质基板的选择，稳定性分析，偏置电路的设计，输入 输出匹配电路的设计，整体电路优化，元件及微带线的替换，电路的印制图案等。 最终，以安华高科技的a t f 一3 4 1 4 3 为管芯设计了一款噪声系数低于0 7 d b 、增益高 于1 2 d b 、增益平坦度小于等于正负i d b 、输入输出回波损耗大于1 0 d b 、工作电压 为5 v 、输入输出阻抗为5 0q 的低噪声放大器，该放大器覆盖2 4 g h z 一2 4 8 g h z 频 段，完全满足预期的设计目标。 关键词：无线局域网( w l a n ) ；双频段；微带贴片天线；低噪声放大器( l ) ； 电磁仿真 英文摘要 t h ed e s i g no fl n aa n dd u a l b a n dm i c r o s t r i pa n t e n n af o r w l a n a p p l i c a t i o n a b s t r a c t w i t ht h er a p i dd e v e l o p m e n to fw i r e l e s sc o m m u n i c a t i o nt e c h n o l o g y , t h e r ei sa l l e v e r - i n c r e a s i n ga p p l i c a t i o ns c o p eo fw l a n 。w i t ha l lk i n d so fw l a ns t a n d a r d s u p c o m i n g ，i t sn e c e s s a r yt od e v e l o pd i f f e r e n ta n t e n n a sf o rw l a na p p l i c a t i o n i nt h i s p a p e r , w ef o c u so nd e s i g n i n ga n t e n n a su s e df o rw l a ni e e e 8 0 2 1lgs t a n d a r d ， p r o p o s i n gan e wd u a l b a n dm i c r o s t r i pa n t e n n a a n a l y z et h es t r u c t u r eo fa n t e n n a , o p t i m i z et h ea n t e n n aw i t hs i m u l a t i o ns o f t w a r eh f s s ，t h er e s u l ti n d i c a t e s ：t h er e s o n a n t f r e q u e n c yo ft h i sa n t e n n aa r e ：2 4 5 g h za n d5 2 5 g h z r e l a t i v eb a n d w i d t ha r e3 3 a n d 1 3 1 s a t i s f y i n g 、衙t 1 1t h ep r o t o c o li e e e 8 0 2 1l go f w l a n l o wn o i s ea m p l i f i e r ( l n a ) i sa ni m p o r t a n tc o m p o n e n to ft h er fr e c e i v e r f r o n t e n dc i r c u i t g e n e r a l l y ，f o ra l lt y p e so fr a d i o f r e q u e n c yo ri fr a d i or e c e i v e r ，i ti s u s e da sf i r s t - s t a g ea m p l i f i e r i tr e q u e s t sn o i s ef i g u r e ( n f ) a ss m a l la sp o s s i b l e ，a tt h e s a m et i m et h eg a i na sg r e a ta sp o s s i b l e t h i sa r t i c l ed e s c r i b e sh o wt od e s i g nal i n e a r s m a l l - s i g n a ll o w - n o i s ea m p l i f i e rb ya d so ft h ee n t i r ep r o c e s s ，i n c l u d i n gt h es e l e c t i o n o fd i e l e c t r i cs u b s t r a t e ，s t a b i l i t ya n a l y s i s ，b i a sc i r c u i td e s i g n ，i n p u ta n do u t p u tm a t c h i n g c i r c u i td e s i g n ，o p t i m i z a t i o no ft h eo v e r a l lc i r c u i t ，c o m p o n e n t sa n dm i c r o s t r i pl i n e s r e p l a c e m e n t ，t h ep r i n t e dc i r c u i tp a t t e r n sa n ds oo n u l t i m a t e l y ，a a v g ot e c h n o l o g ie s a t f 一3 414 3c h i pi su s e dt od e s i g nal n a w h i c hn o i s ef i g u r el e s st h a no 7 d b 、g a i n h i g h e rt h a n12 d b 、g a i nf l a t n e s sl e s st h a no re q u a lt old b 、i n p u ta n do u t p u tr e t u r nl o s s e sm o r et h a n10 d b ，t h ew o r kv o l t a g ei s5 v , i n p u ta n do u t p u ti m p e d a n c eo f5 0 q ，t h e a m p l i f i e rc o m p l e t e l yc o v e r s2 4 g h z 一2 4 8 g h zb a n d ，f u l l ym e e tt h ee x p e c t a t i o n so ft h e d e s i g ng o a l s k e y w o r d s ：w l a n ；d u a l b a n d ；m i c r o s t r i p a n t e n n a ；l o w n o i s e a m p l i f i e r ( l n a ) ； e l e c t r o m a g n e t i cs i m u l a t e 大连海事大学学位论文原创性声明和使用授权说明 原创性声明 本人郑重声明：本论文是在导师的指导下，独立进行研究工作所取得的成果，撰写成博硕 上学位论文 = = 五线崮邀圆丛麴邀堂丞线丛低噬直趑态墨的遮让：。除论文中已经注明引用 勺内容外，对论文的研究做出重要贡献的个人和集体，均己在文中以明确方式标明。本论文 串不包含任何未加明确注明的其他个人或集体己经公开发表或未公开发表的成果。本声明的 去律责任由本人承担。 学位论文作者签名： 学位论文版权使用授权书 本学位论文作者及指导教师完全了解大连海事大学有关保留、使用研究生学位论文的规 定，即：大连海事大学有权保留并向国家有关部门或机构送交学位论文的复印件和电子版， 允许论文被查阅和借阅。本人授权大连海事大学可以将本学位论文的全部或部分内容编入有 关数据库进行检索，也可采用影印、缩印或扫描等复制手段保存和汇编学位论文。同意将本 学位论文收录到中国优秀博硕士学位论文全文数据库( 中国学术期刊( 光盘版) 电子杂志 社) 、中国学位论文全文数据库( 中国科学技术信息研究所) 等数据库中，并以电子出版物 形式出版发行和提供信息服务。保密的论文在解密后遵守此规定。 ：鹅日并意擎 无线局域网双频微带天线及低噪声放大器的设计 第1 章绪论 近些年来，随着局域网的应用领域不断拓宽和现代通信方式的不断变化，尤 其是移动通信的发展，无线局域网( w l a n ) 便应运而生。无线局域网( w i e r l e s s l a n ) 的问世为网络基础建设开创出一个全新的定义，使得上网可以不用连接网络线， 而且网络管理者可以更容易因需要而架设无线网络，不必受网络布线的约束，打 破地域或客观条件的制约，能够实现任何人在任何时候、任何地方与任何人进行 任何方式的通信。因此无线局域网络能提高生产力，同时可以降低有线网络的布 置费用，降低成本。作为个人通信的一个重要组成部分，无线局域网在现实及未 来社会中必将得到广泛的应用。 1 1 无线局域网简介 无线局域网( w i r e l e s sl a n ，以下简称w l a n ) 是9 0 年代计算机网络与无线通 信技术相结合的产物n 。2 3 ，它是一种能支持较高数据速率、采用微蜂窝结构的、自 主管理的计算机局部网络。可采用无线电、红外线作为传输媒质或采用扩展频谱 技术，它提供了使用无线多址信道的一种有效方法来支持计算机之间的通信，并 为通信的移动化、个人化和多媒体应用提供了潜在的手段。 移动计算网络基本上可以分为两种解决方案：广域解决方案和局域解决方案。 广域方案主要是依靠无线蜂窝数据通信网络和卫星通信网络作为移动计算的物理 网；而在地域范围上受限制，但速率更高的移动解决方案是无线局域网。 无线局域网出现较早，最早可认为是夏威夷大学于1 9 7 1 年开发出的、基于封 包式的a l o h an e t 。自第1 个民用局域网系统a r c n e t 投入运行以来，局域网以其 广泛的适用性和技术价格方面的优势，获得了成功和迅速的发展，已成为数据网 络领域中基于宿主机的最流行的网络连接形式。进入9 0 年代以来，随着个人数据 通信的发展，功能强大的便携式数据终端以及多媒体终端的广泛应用，为了实现 任何人在任何时间、任何地点均能实现数据通信的目标，要求传统的计算机网络 由有线向无线，由固定向移动，由单一业务向多媒体发展，更进一步推动了w l a n 的发展。 世界上第一个试验性无线局域网是1 9 8 7 年建立的。随后，在医疗、零售、机 场等地方，出现无线局域网，各厂商的无线局域网不能互联，于是1 9 9 0 年1 1 月 第1 章绪论 成立i e e e 8 0 2 1 1 委员会，着手制定无线局域网标准刊，并于1 9 9 7 年6 月制定出 全球第一个无线局域网标准i e e e 8 0 2 1 l 。i e e e8 0 2 1 1w l a n 标准又使得不同供应 商的产品具有了互操作性。目前1 m b p s 和2 m b p s 的w l a n 技术和产品已相当成熟， 整个系统的实现成本也正逐渐下降。但与以太网( 1 0 m b p s ) 相比，w l a n 较慢的数据 传输率成了其进一步发展的瓶颈。为此，i e e eg r o u p 又相继推出了新的高速标准 8 0 2 1 1 b 和8 0 2 1 1 a 两个新标准，而且在前不久又推出了相当于前二者的混合标准 8 0 2 1 1 9 ，使得w l a n 的速度又向前迈进了一大步。欧洲电信标准化协会( e t s i ) 的 宽带无线电接入网络( b r a n ) 小组着手制定h i p e r ( h i g hp e r f o r m a n c er a d i o ) 接入标 准，它获得了5 1 5 5 3 5 g h z 和1 7 1 - 1 7 3 g h z 两个2 0 0 m h z 频段。1 9 9 7 年完成了 h i p e r l h n - 1 标准的制定，这促使f c c 发放了包括5 1 5 5 3 5 g h z 和5 7 2 5 5 8 2 5 g h z 频段。其中，5 1 5 5 2 5 g h z 用于室内，最大输出功率为2 0 0 m w ；5 2 5 5 3 5 g h z 用 于校园，最大输出功率为2 5 0 m w ；而5 7 2 5 5 8 2 5 g h z 主要用于社区网络，最大输 出功率为1 w 。由于i e e e 8 0 2 1 l 速率最高只能达到2 m b p s ，在传输速率上不能满足 人们的需要，因此在不断研究后于1 9 9 9 年9 月又提出i e e e 8 0 2 1 l a 和i e e e 8 0 2 1 l b 标准，它允许通过的最大传输速率为5 4 m b p s 和11 m b p s 。2 0 0 3 年6 月，又通过了 i e e e 8 0 2 1 1 9 标准，它允许最大的传输速率为5 4 m b p s ，但仍工作于2 4 g h z 频段， 且与i e e e 8 0 2 1 1 b 兼容。同时，h i p e r l h n 一2 标准也己制定完成，与i e e e 8 0 2 1 l a 类似，工作于5 g h z 频段，最大传输速率为5 4 m b p s 。h i p e r l a n l 对应i e e e 8 0 2 1 1 b ， h i p e r l a n 2 与i e e e 8 0 2 1 1 a 具有相同的物理层。 目前，在无线标准和规范方面，由不同厂商支持的不同标准和规范争夺激烈， 主要有i e e e8 0 2 1 1 系列、h o m e r f 、h y p e r l a n 2 以及蓝牙技术等，它们各有特点， 其应用领域也不尽相同。 1 2 无线局域网的标准简介 无线接入技术区别于有线接入的特点之一是标准不统一，不同的标准有不同 的应用。因此，无线接入技术出现了百家争鸣的局面。在众多的无线接入标准中， 无线局域网标准更成为人们关注的焦点。以下列出了几种最热门的无线局域网标 准。 ( 1 ) 8 0 2 ，”家族 无线局域网双频微带天线及低噪声放大器的设计 1 9 9 0 年，i e e e 8 0 2 标准化委员会成立了i e e e 8 0 2 1 1w l a n 标准工作组，其主 要任务是研究工作在工业、科技、医疗( i n d u s t r y ，s c i e n c ea n dm e d i c i n e ，缩写 为i s m ) 2 4 g h z 频段，传输速率为1 m b p s 和2 m b p s 的无线设备和网络发展的标准， 并于1 9 9 7 年7 月公布了该标准。 le e e8 0 2 1 1b 标准 i e e e 8 0 2 1 1 标准的制定推动了无线网络的发展，但由于其传输速率只有 卜2 m b p s ，该标准未能得到广泛的推广及应用。1 9 9 9 年，i e e e 通过了8 0 2 1 1 a 和8 0 2 1 1 b 标准。i e e e 8 0 2 1 1 a 定义了采用正交频分复用( o r t h o g o n a lf r e q u e n c y d i v i s i o nm u l t i p l e x i n g ，o f d m ) 调制技术在5 g h z 频段实现5 4 m b p s 传输速率的无线 传输。i e e e 8 0 2 1 1 b 定义了使用直接序列扩频( d i r e c ts e q u e n c es p r e a d s p e c t r u m ，d s s s ) 调制技术在2 4 g h z 频带实现l1 m b p s 速率的无线传输。由于d s s s 技术的实现比o f d m 容易，i e e e 8 0 2 1 l b 标准的发展比i e e e 8 0 2 1 l a 快的多，在1 9 9 9 年末首先出现了支持i e e e 8 0 2 1 1 b 标准的产品，随后的到广泛商用j 并通过互通 性测试。i e e e 8 0 2 1 1 b 已成为当今w l a n 的主流标准。 ie e e8 0 2 1 ia 标准 工作在5 g h z 频段、最大速率可达5 4 m b p s 、采用o f d m 调制技术的8 0 2 1 l a 标 准与8 0 2 1 1 b 相比，具有两个明显的优点：提高了每个信道的最大传输速率 ( 1 1 5 4 m b p s ) ，增加了非重叠的信道数。因此，采用8 0 2 1 1 a 便使得w l a n 可以同 时支持多个互相不干扰的高速w l a n 用户。不过这些优点是以兼容性和传输距离为 代价的。i e e e 8 0 2 1 1 a 和i e e e 8 0 2 1 1 b 工作在不同的频段，两个标准的产品不能兼 容。由于传输距离的减小，要覆盖相同的范围，就需要更多的i e e e 8 0 2 1 1 a 接入 点( a c c e s sp o i n t ，a p ) 。2 0 0 2 年初，首次出现支持8 0 2 1 1 a 标准的产品。 i e e e 8 0 2 1 1 9 标准 2 0 0 1 年1 1 月，i e e e 8 0 2 儿g 标准以草案的形式面世，2 0 0 3 年5 月成为正式标 准。i e e e 8 0 2 1 l g 标准既能提供与i e e e 8 0 2 1 1 a 相同的传输速率，又能与己有的 i e e e 8 0 2 1 l b 设备后向兼容。i e e e 8 0 2 1l g 工作在i s m 2 4 g h z 频段，在速率高于 1 1 m b p s 时，则采用调制效率更高的o f d m 调制技术。 与i e e e 8 0 2 1 1 a 相比，i e e e 8 0 2 1 1 9 的优点是以性能的降低为代价的。虽然 o f d m 调制技术能达到更高的速率，但2 4 g h z 频段的可用带宽是固定的，i e e e 8 0 2 1 1 第1 章绪论 g 只能使用2 4 g h z 频段的三个信道，而8 0 2 1 l a 在5 g h z 频段室内室外可用的信道 各有八个。由于i e e e 8 0 2 1 1 a 的可用信道数比i e e e 8 0 2 1 l g 多，在相同传输率下， 频道重叠少，干扰就小。所以i e e e 8 0 2 1 l a 与i e e e 8 0 2 1 1 9 相比，具有较强的抗 干扰能力。 ( 2 ) 蓝牙 蓝牙( i e e e8 0 2 1 5 ) 是一项最新标准3 ，相对于i e e e 8 0 2 1 1 来说，它的出现 不是为了竞争而是相互补充。蓝牙比i e e e 8 0 2 1 1 更具移动性，比如，i e e e 8 0 2 1 1 限制在办公室和校园内，蓝牙能把一个设备连接到l a n 和w a n ，甚至支持全球漫 游。此外，蓝牙成本低、体积小，可用于更多的设备。 ( 3 ) 家庭网络的h o m er f h o m er f 主要为家庭网络设计，是i e e e 8 0 2 1 1 与数字无绳电话标准( d e c t ) 的结合，旨在降低语音数据成本。h o m e r f 也采用了扩频技术，工作在2 4 g h z 频带， 能同步支持4 条高质量语音信道。但目前h o m er f 的传输速率只有卜2 m b p s ，美 国联邦通信委员会( f c c ) 建议增加到l o m b p s 。 对高速w l a n 标准的选择应遵循以下原则： 对容量的需求：如果高速w l a n 用户的分布很密集，i e e e 8 0 2 1l a 是较好的选 择；如目前使用i e e e 8 0 2 1 1 b 用户想升级到更高速的w l a n 网络，i e e e 8 0 2 1 1 9 是 很好的选择。 干扰问题：如果干扰是主要问题的话，最好采用i e e e 8 0 2 1 1 a 标准。 1 3 应用现状 i e e e 8 0 2 1 1 最初只是作为一种无线接入协议，而问世后可谓是异军突起，目 前，w i - f i 技术已经被认为是无线宽带发展的新方向。在美国，像n e x t e l 、c i n g u l a r 这样的移动运营商正在商业楼宇中部署w i - f i 网络，b e l l s o u t h 、v e r i z o n 等固定 运营商也不甘落后。v e r i z o n 己经在纽约启动了1 5 0 个热点地区的w 卜f i 网络，并 在纽约部署1 0 0 0 多个w i - f i 网络。2 0 0 5 年底，由i n t e l 、i b m 和a t & t 合作组建的 c o m e t a 网络公司，更是定下了在全美5 0 个大城市建设2 万个热点w i f i 网络的宏 伟计划。利用w i f i8 0 2 1 1 9 将传输速率提升到5 4 m b p s ，美国v i v a t o 公司推出的 款新型交换机能把目前w i f i 无线网络1 0 0 米的通信半径扩大到6 5 公里，同 无线局域网双频微带天线及低噪声放大器的设计 时用户接纳数量大幅度增加。诺基亚和摩托罗拉等公司也加入到w l a n 的研发与推 广之中。w i f i 网络在家庭网络中越来越普及了，并首次超过了以太网。据市场调 研公司p a r k sa s s o c i a t e s 进行的调查显示，在部署有网络的家庭中，5 2 的家庭 使用了无线网络技术，而使用以太网和电力线网络技术的比例分别为5 0 和约 5 ( 三者相加超过1 0 0 的原因是一些家庭采用了一种以上的网络技术) 。 在欧洲，引领w i - f i 的运营商是英国电信和瑞士电信。这些没有受3 g 牌照拖 累的企业，大展拳脚，期望通过投资w i - f i ，花少得多的资金在移动数据市场挤占 一定的份额。德国的t - m o b i l e 公司也对w i - f i 情有独钟，该公司己与1 4 0 0 多家 星巴克咖啡店联合建设了w i - f i 网络，并计划在全球2 0 0 0 多个社区提供w i - f i 接 入服务。 国内的电信运营商正在以f t t x + w l a n 、a d s l + w l a n 和g p r s + w l a n 、c d m ai x + w l a n 等形式进军w i f i 领域。这股风潮势必将牵动无线局域网产业链中的各个环节。 作为国内最早涉足w i - f i 领域的运营商，中国网通己经在无线局域网布点1 0 0 0 多 个，大多数都集中在商务客人经常出入的热点地区，如机场、商务酒店、会展中 心等，其“无限伴旅 的无线局域网接入服务已经在北京、上海、广州、深圳等 城市展开。随着w i - f i 热潮在全球的兴起，国内其它的运营商也迅速跟进，加入 这一市场的争夺。与网通紧盯商务用户不同，中国电信充分利用其有线资源，将 w l a n 与a d s l 捆绑，迅速夺取了国内最大的市场份额。 中国电信名为“天翼通”的w i f i 无线宽带接入业务已经在上海和广东等地 铺开，目标直指普通消费者。而开始还在犹豫的中国移动和中国联通也迅速跟进。 2 0 0 5 年世界电信日宣布进军w i - f i 市场的中国移动，第一期动用1 8 亿元在全国 3 2 个城市推广w l a n 业务，与g p r s 进行捆绑。2 0 0 6 年5 月1 7 日，中国移动宣布 已在全国近7 0 0 个机场、酒店等热点地区实现了w l a n 覆盖。另外，联通也正在考 虑把c d m a1 x 与w l a n 捆绑。当人们广泛期待的3 g 时代并未如期而至，无线局域 网的高速发展更是成为了电信业发展的一大亮点。全球无线局域网销售收入在 2 0 0 4 年为1 0 0 亿美元，预测到2 0 0 8 年将增长到4 4 0 亿美元，年增长率为4 4 。由 此可见，基于i e e e 8 0 2 1 l 技术的w l a n 己经成为目前宽带无线网络接入技术的主 流，尤其是随着8 0 2 1 l 系列规范的相继出台，未来的8 0 2 1 1 必将会重现8 0 2 3 的辉煌历史，未来的无线网络终端接入技术将会进入8 0 2 1 l 系列技术时代。 第1 章绪论 1 4 未来发展趋势 由于下一代无线网络将是由三个部分组成，即无线接入网、核心网和骨干网 三部分组成的。各种移动网和无线网都采用i p 技术成为互联网的无线接入网络， 移动或无线终端就可以通过无线方式接入互联网，享受互联网信息服务，并在互 联网平台上进行通信。 3 g 系统旨在提供一个全覆盖、高质量保证的通信网络，可以提供语音和数据 业务，数据传输速率达2 m b p s 。从目前的移动应用业务角度来看，传输速率最高为 2 m b p s 显然无法满足用户对高速传输速率的需求。另外，由于3 g 系统所使用的频 率为2 g h z 频段，这是非常珍贵和短缺的频率资源，运营商为了获得3 g 牌照需要 花费大量资金；另一方面，3 g 网络的单基站覆盖范围为1 - 5 k m 至8 k m ，要达到全 网覆盖，需要设置大量的网络设备，造成运营成本非常高。 w i m a x 移动通信系统主要定位于分组数据的业务传输，其峰值数据的速率可达 到7 5 m b p s ，比3 g 系统高得多，但其主要为固定、便携或低速移动的用户提供接入， 在网络建设初期和中期阶段并不支持高速移动下的无缝漫游。而3 g 移动通信系统 具有支持快速漫游以及提供全网覆盖的通话业务功能优点。 w l a n 作为w i m a x 网络的补充技术，满足局部热点地区提供较高数据传输，为 解决该问题提供了一种新的途径。最新的8 0 2 1 1 s 草案，引人了m e s h 机制，m e s h 网络具有自愈和自配置的优越性。研究成果表明，未来的w l a n 组网将是采用m e s h 网络技术的混合网络体制。另外，有市场分析公司认为，w i f i 等w l a n 技术与移 动网络的完全融合，将是未来4 g 移动通信技术的关键所在。 1 5 论文的主要内容和章节安排 本文通过对大量文献资料的系统学习和仔细研究，在认真分析和总结了多种 实现移动天线的小型化、双频段方法的基础上，提出并设计了一款新型双频微带 天线。该天线适用于无线局域网( w l a n ) ，满足i e e e 8 0 2 1 l b ( 2 4 g h z 一2 4 8 g h z ) 协议和i e e e 8 0 2 1 l a ( 5 1 5 0 g h z 一5 3 5 0 g h z ) 协议，采用电磁仿真软件a n s o f th f s s 进行优化设计。同时设计了一款应用于2 4 5 g h z 的低噪声放大器( l n a ) 。该l n a 针对安华高科技的a t f 3 4 1 4 3 管芯进行设计，根据l n a 的基本工作原理和设计方法， 对l n a 进行了初步设计。然后采用电磁仿真软件a d s 对l n a 电路参数进行了优化 无线局域网双频微带天线及低噪声放大器的设计 设计。根据仿真优化结果，对实物进行了具体的加工测试，并对仿真结果和实测 结果进行了比较、分析。 第1 章作为绪论，介绍了论文的选题背景和研究意义，讨论了无线局域网技 术标准和发展状况，并列出了本论文的主要工作和内容安排。 第2 章简要地介绍微带天线的基本理论，包括微带天线的辐射机理、理论分 析方法，并阐述了天线宽频带技术。 第3 章主要介绍了低噪声放大器的主要性能指标，例如s 参数、噪声系数、 l d b 压缩点、三阶截断点等及l n a 的基本原理。 第4 章简述电磁场仿真软件a n s o f th f s s 的使用方法和步骤，并利用该软件 分别对提出的w l a n 双频天线进行仿真和优化。并对其进行加工，利用实验室的矢 量网络分析仪对加工出来的天线进行测试，最后将测试结果及仿真软件得到的结 果进行比较和分析，得出结论。 第5 章详细介绍了用安捷伦公司的a d s 软件对工作在2 4 5 g h z 的l n a 仿真步 骤，包括：稳定性分析，直流偏置电路仿真，输入输出电路的匹配，实际元件和 微带线的替换，电路印制图案等。 结束语是对整篇文章内容的归纳总结。 第2 章微带天线的基本理论及宽频带和双频段的实现方法 第2 章微带天线的基本理论及宽频带和双频段的实现方法 2 1 微带天线的工作原理 微带天线早在上世纪五十年代就已经提出了睁1 2 3 ，但是直到七十年代，微带天 线才制造出来。经过近几十年的发展，微带天线引起了人们的广泛重视。目前， 微带天线飞速发展，在实际中有着广泛的应用，下面简单介绍微带天线的基本原 理、分析方法及小型化、宽频带和双频段的方法。 2 1 1 微带天线的定义 如图2 1 所示，机构最简单的微带天线是由贴在带有金属地板的介质基片上 的辐射贴片所构成的。贴片导体通常是铜和金，它可以是任意形状，但我们通常 用常规的形状以简化分析和预测其性能。基片的介电常数应较低，这样可增强产 生辐射的边缘场。 图2 1 微带天线的结构 f i g 2 1t h es t r u c t u r eo fa n t e n n a 2 1 2 微带天线的优缺点 和常规的微波天线相比，微带天线具有一些优点，进而，在1 0 0 m h z 到5 0 g h z 的宽频带上获得了大量的应用。其优点主要如下： 体积小、重量轻、剖面薄、易与载体表面共性；制造成本低，易大量生产； 易实现多功能，易集成；天线的散射截面较小；容易制成双频率工作的天线；馈 线和匹配网络可以和天线结构同时制作。 但是微带天线也有些缺点： 无线局域网双频微带天线及低噪声放大器的设计 频带窄：损耗大，因而增益较低，最大增益受限( 约为2 0 d b ) ；大多数微带天 线只向半空间辐射；端射性能差；容易产生表面波激励；功率容量较低。 因此，有必要采取措施减小某些缺点。例如，只要在设计和制造过程中特别 注意就可抑制或消除表面波。 2 1 3 微带天线的辐射机理 微带天线的辐射可以用图2 2 所示的简单情况来说明。这是一个矩形的微带 贴片，与地板相距几分之一波长。假定电场沿微带结构的宽度和厚度方向没有变 化，电场仅沿约为半波长的贴片长度方向变化。辐射基本上是由贴片开路边沿的 边缘场引起的。在两端的场相对于地板可以分解为法向分量和切向分量，因为贴 片长为半波长。所以，法向分量反向，由它们产生的远场在正方向上互相抵消。 平行于地板的切向分量同向。因此，合成场增强，从而使垂直于结构表面方向上 辐射场最强。所以，贴片可表示为相距半波长，同向激励并向地板以上半空间辐 射的两个缝隙。 图2 2 矩形贴片的微带天线 f i g 2 2r e c t a n g u l a rm i c r o s t r i pa n t e n n a 微带贴片天线可看作宽长的一段微带传输线，其终端因为呈现开路，将 形成电压波腹。一般取a , 2 ，a ，为微带线上波长，于是另一端也呈电压波腹。 此时贴片与接地板间的电场近似表达为： e ，= e oc o s ( n y ) ( 2 1 ) 天线的辐射由贴片四周与接地板间的窄缝形成。由等效性原理知，窄缝上电场 的辐射可由面磁流的辐射来等效。等效地面磁流密度为 第2 章微带天线的基本理论及宽频带和双频段的实现方法 m 。= 一五e( 2 2 ) 式中，庐曼量，z 是x 方向单位矢量；而是缝隙表面( 辐射口径) 的外法线方向单 位矢量。 。2 2 微带天线的分析方法 微带天线分析的目的是天线的辐射特性及近场特性进行预先估算，通过分析 与设计相结合，减少高耗费的边做边试的循环次数，弄清天线的优点和局限性， 帮助了解新的设计方法，现有设计的改进以及对新的天线结构研发来说可能有用 的工作原理。天线分析的基本方法是通过m a x w e l l 方程求解天线在周围空间建立 的电磁场，求得电磁场后，进而得出其方向图、增益和输入阻抗等特性指标。 分析微带天线的基本理论大致可分为三类。最早出现的也是最简单的是传输 线模型( t l m t r a n s m i s s i o nl i n em o d e l ) 理论，主要用于矩形贴片。更严格、更 有用的是空腔模型( c m c a v i t ym o d e l ) 理论，可用于各种规则的贴片，但基本上 限于天线厚度远小于波长的情况。最严格而计算最复杂的是积分方程法 ( i e m i n t e g r a le q u a t i o nm e t h o d ) ，即全波( f w f u l lw a v e ) 理论，第一种理论 把微带天线的分析简化为一维的传输线问题，第二种理论则发展到二维边值问题 的求解；第三理论又进了一步，可计入第三维的变化。我们这里介绍传输线模型 理论和空腔模型理论，下面两小节将对这两种方法进行详细的阐述。 2 2 1 传输线模型法 分析微带天线最简单同时又最适合工程应用的理论是传输线模型。它由芒森 ( m u n s o n ) 在1 9 7 4 年提出，后又由德纳里德( a g d e n e r y e d ) 等人作了发展。把矩 形微带贴片天线看成一段传输线，贴片的尺寸和介质参数决定了传输线的特性阻 抗z 。和传输常数b 。 考虑尺寸为三w 的矩形微带贴片天线，由探针馈电。该贴片的四边根据它 们的场分布可分为辐射边和非辐射边，判别的依据是：辐射边上的场的变化在它 的长度方向上变化很小，而非辐射边上会有整数个半波性质的变化，因此从非辐 射边辐射出去的能量基本都对消掉了。对于辐射边而言，它的特性可以等价于导 纳负载：乓= g s + 凰，其中，g s 对应从隙缝辐射出去能量的电导， 无线局域网双频微带天线及低噪声放大器的设计 g s = l 了 ( 2 3 a ) 。 1 2 07 c 2 仁卜( 警c o s 。 t a n 2 0 s i n o 羽 亿3 b ， b 对应缝隙边缘场存储能量的电纳，非辐射边的边缘场决定了特性阻抗虼和传输 常数p 。 b s = kt a n ( 凶) p 脚z o ( 2 4 ) 其中 z o 罟谚h f 3 咄厄 ( 2 5 ) z 。再谚 e 2 5 铲孚+ 字( 1 + 斟啦 6 ， _ 0 4 m 黯0 螋2 5 8 x 幽w h 裂0 8 ( 2 7 ) k 。一 + ) 。 当从辐射边对矩形贴片馈电时，将一条缝隙的导纳加上径长为l 的传输线变 换后的另一缝隙导纳，便得出微带天线的输入阻抗如下： 圪= k ( 等渊+ 盟r s + j 幽r om ( 1 3 ( l = + m ) ) ) + 西( 2 8 a ) 三l + 三2 = l ( 2 8 b ) 其中，x ，是探针电抗， t x ，：罂枷亟丝l n 旦磐 ( 主9 。 ， i o 耐o ， 上式中h 为探针长度，d o 为探针直径。 天线的谐振频率，计算如下： 肛石蒜 q j 第2 章微带天线的基本理论及宽频带和双频段的实现方法 。= 志1 5 g 2 亿 sl 九oj 天线方向函数( 未归一化) 可表示为 ，(。，p)：三!掣1 s i n c。s(了10 1 七。三s i n 。s i n p ) ( 2 1 2 ) ，( 。，p ) = 兰气芰忑广s nc o s ( i 七。三s l n 。s l n p ) ( 2 h 面( 9 2 o ) ：，( 。) ：! ! ! 主= _ 竺。i r ie ( 2 1 3 ) c o s 廿 e 面( q ：睾) ：凡( o ) = c o s ( ， i l k o l s i n0 ) ( 2 1 4 ) 2 2 2 空腔模型理论 空腔模型理论是在微带谐振腔分析的基础上发展起来的。实际上，谐振式微 带天线的形状与微带谐振腔并无显著区别。因此，借助于谐振腔理论是很自然的。 它的一般方法是，规定腔的边界条件，找出腔中的一个主模，从而计算出谐振频 率、品质因数和输入阻抗等。把这种方法移植到微带中来，称为单模理论。作为 此法的改进，发展了多模理论，它把腔内场用无限正交模表示，因而就能较准确 的代表腔内场。空腔模型已成功用于精确计算厚度不超过介质波长百分之几的微 带天线的特性。下面介绍一下空腔模型理论。 在分析腔内场时，基本空腔模型理论作如下假设： ( 1 ) 电场只有e ：分量，并且t 不随z 而变化。磁场只有日，和h ，分量，且假 设h ，= 0 即腔内只存在对z 的t m 型场； ( 2 ) 内场不随z 坐标变化；四周边缘处电流无法向分量，即边缘处切向磁场为 零，故空腔四周可视为上、下为电壁，四周为磁壁的腔体。 上述基本假设若用更严密的理论来检验，不难发现其近似之处。因为微带贴 片内壁的电流可通过周界流向外壁面，因此在周界处内壁面法向电流严格说不是 零，只是在 条件下接近零。由上述讨论可以看出基本空腔模型理论应用上 的限制， 的条件时很重要的。 空腔内场满足下列复数形式麦克斯韦方程： 飞xh = j 混雹+ j v 丘= 一j o ) l a t v 疗= o v 豆= o 对第二式取旋度，再利用第一式消去疗，得 v 2 云+ 后2 豆= j c o po 了 后= o = k 0 4 , ( 1 一j t a n 6 ) t a n6 是介质损耗角正切。 由于了= 甜：，豆= 弛，化为标量方程： ( v 2 + j j 2 ) e ：= j c o p o 以 由上式解出历后，便可由麦氏方程组第二式求得总和丘： 肌丽1 弘肚嘉：娥= 媚，+ 妒y 一，p o “o 7 即 日。：上堡 一 p o 砂 日一一上堡 。 肛d 出 现将历展开为正交模无穷级数，即令 e ：= a r e n v 册 ， 盯 其中，满足齐次波动方程及腔的边界条件，即有 ( v 2 + 后二砷珊= 0 0 、| ，册a 菇= 0 由式( 2 1 8 ) 和式( 2 2 1 ) 可知， v 枷= 一七m 2v 砌 ( 2 1 5 ) ( 2 1 6 ) ( 2 1 7 ) ( 2 1 8 ) ( 2 1 9 ) ( 2 2 0 ) ( 2 2 1 ) ( 2 2 2 ) ( 2 2 3 ) 册洲 彳 。所 七一 以 = 彻v v 舢 4 行晰 = t v 动 。厶q 式 据 根 第2 章微带天线的基本理论及宽频带和双频段的实现方法 代入上式得 彳删( 后2 一七三。棚- j 0 3 1 t o j ： ( 2 2 4 ) 用乘此式两边，并对空腔区域积分，得 厶咖“。瓦彘 ( 2 2 5 ) 式中 2 工咖二凼 ( 2 2 6 ) = iy 棚、i ，删d s ( 2 2 7 ) f 将式( 2 2 5 ) 代入式( 2 2 1 ) 得 e = j k o r l 。莓军老畿 弦2 8 ， 式中已代入= 饥，”o = ( p o o ) = 1 2 0 7 c ，k o = 2 1 ：z o 。k 姗是谐振模 的截止波长为实数，由天线尺寸的模的序号i n , 1 1 决定。当工作频率选得使k 很近 于k 衄时，分母上得k 2 一k 2 。，很小而使第( 忍力) 项振幅变得很大，内场基本上就 由这个项决定。这时我们就说该天线对t m 朋胛模谐振。其次，该式也表明，对于任 一分布，不同的z 位置( 激励条件) 将导致不同得激励振幅( 展开系数) ，从而 将得出不同得内场。 对规则形状的贴片，一般可利用分离变量法解出9 咖及相应得k 咖对于矩形 贴片： 、i ，删= f i n nc o s 可m n xc 。s 了n n y ( 2 2 9 ) 七栅= ( 2 3 0 ) 对于如图2 3 所示的馈源为同轴探针时，它可表示接地板流向贴片的z 向电 流和接地板上同轴开口处的小磁流环。后者很小，可以忽略；前者可等效为中心 在( x 。，y 。) ，x 方向宽为d 。的电流片。设总电流为i o ，即有： 无线局域网双频微带天线及低噪声放大器的设计 ，：j ，x 。一了d o 气一工。十丁d o ，y = y 。 ( 2 3 ， 10 ，其它 将式( 2 3 1 ) 和( 2 2 9 ) 代入式( 2 2 6 ) 及(