应用于无线局域网的低剖面宽带双频微带天线的设计.docx

1、福州大学学报（自然科学版）JournalofFuzhouUniversityNaturalScienceEdition）DOI：10.7631/issn.1000-2243.2017.06.0829文章编号：1000-2243(2017)06-0829-04应用于无线局域网的低剖面宽带双频微带天线的设计罗歆瑶，袁家德(福州大学物理与信息工程学院，福建福州350116)摘要：提出一种应用于无线局域网(WLAN)的低剖面单馈双频宽带微带天线.该天线辐射贴片由三个矩形连接桥连接内外两块辐射贴片构成，并在U型外贴片上加载一根短路探针，通过加载连接桥和短路探针拓展天线的工作带宽.微带天线介质基片由上下两

2、层FR4介质板和中间空气层组成，剖面高度为0.042丸测试结果表明，天线回波损耗大于10dB的工作带宽分别为2.39-2.50GHz和5.02-5.87GHz,在两频段中心频率2.45和5.5GHz时增益分别为6.14和8.82dBi.该天线剖面低，增益高，能够完全覆盖IEEE802.Ha/b/n/ac标准所规定的工作频段，具有较好的工程应用价值.关键词：无线局域网；微带天线；低剖面；宽频带；高增益中图分类号：TN822；TN925文献标识码：ADesignofawidebanddual-frequencymicrostripantennawithlowprofileforWLANapplic

3、ationsLUOXinyao,YUANJiade(CollegeofPhysicsandInformationEngineering,FuzhouUniveraity,Fuzhou,Eujian350116,China)Abstract:Asingle-feed,dual-frequencyandwidebandmicrostripantennawithlowprofileisproposedforwirelesslocalareanetwork(WLAN)applications.Theradiationpatchoftheproposedantennaiscomposedoftwomet

4、alpatcheslinkedbythreerectangularbridges.AshortedprobeisinsertedbetweentheouterU-shapedpatchandtheground,andtheworkingbandwidthisbroadenedbythecombinationofthelinkedbridgesandtheshortedprobe.Thesubstrateoftheproposedantennawithprofileof0.042AconsistsoftwoFK4substratesandanairlayerinthemiddle,whereAi

5、sthefree-spacewavelengthat2.45GHz.Themeasuredresultsshowthattheoperatingbandwidthswith|SH|>10dBare2.39-2.50GHzand5.02-5.87GHz,respectively.Adesirabledirectionalradiationpatternwiththeantennagainofnear6.14dBiat2.45GHzand8.82dBiat5.5GHzisobtained.TheproposedantennawhichcancoverthewholeIEEE802.1la/b

6、/n/acoperatingbandwidthsfeaturesalow-profileandhighgainandhasagoodappliedpotentialinengineering.Keywords:wirelesslocalareanetwork；microstripantenna；lowprofile；broadband；highgain0引言应用于无线局域网(WLAN)的双频定向天线被广泛使用于无线基站、室内无线接入点以及点对点通信等.近年来，大量的WLAN定向辐射天线被提出，如采用全向天线加反射板结构实现定向辐射UF、微带天线"七等，但这些天线结构难以在实现低剖面的

7、同时完成对IEEE802.1la/b/n/ac标准所规定2.4/5GHz频段的完全覆盖.平面倒F天线(PIFA)在实现低剖面的同时，可实现双频和宽频带5】.文7提出一种应用于WLAN频段的Y形槽双频PIFA天线，该天线具有较低的剖面高度，但其高、低频段不能够实现对IEEE802.11a/收稿日期：2016-05-16通讯作者：袁家德(1974-),副教授，主要从事天线理论与技术研究，yuanjiade基金项目：福建省产学研重大资助项目(2015H6014)；福建省发改委科技创新资助项目(闽发改投资2014168号)；福建省物联网重大应用示范工程区域试点专项重点资助项目(闽发改高技2014826

8、号),jjg介成如射贴片拔地血|）同轴馈电图I大线结构示意图Fig.I（icomrlrvoftheproiMisedantenna图2大线等效电路图3天线的设汁过程Kig.2E<|uivalenlcir<*uit<»f|>n>|x>s<MlanhuinaFig.3DesignpnM-rssoflh<*pn>|M»sr（lanltuinab/n/ac标准所规定的两个频段的完仝槌盖.文8提出种应用FWLAN频段的半圆形开槽双频定向PI-FA天线，该天线完全槌盖IEKE802.1ki/b/n/a.!段，|.儿仃较低的剖而.然而

9、，相比微带天线，PIFA天线方向图不倒度较差,IL增益较低.微带天线具仃体积小、低削而、高增益、易J实现双频段等诸多优点10.但是它窄带的缺点制约着共在WLAN领域的广泛应用.文II：通过在微带大线辐射贴片加载I型槽实现微带天线的双频和宽频带.但其在WLA、高频段的带宽仅为3001Hz.文12通过在微带犬线辐射贴片I.加载两矩形槽实现双频.共WLAN高频段的I：作带宽为5.l255.395Gllz和5.7255.985GHz.在.述研究的基础I.,本研究提出款应用jULAN的低剖而微带天线.该天线在:使用U型槽来实现双频的同时引入了1个连接桥来调整大线的阻抗匹配.并通过添加一了短路探针来调节该

10、天线低频段的谐振频率.天线的南波损耗10（IBI.作带宽分别为2.392.50GHz和5.025.87GHz,能够完全报盖IEEE802.1la/b/i>/ac标准所规定的2.4/5（；Hz频段.1天线结构与设计大线结构如图I所示.天线川空气层、I.卜两层FR4介质及K印刷导体组成.大线的辐射单元由印刷在I层介质基板上的I型外贴片、矩形内贴片以及它们之间的知形连接桥组成.U型外贴片外围总尺寸为/U叽；知:形内贴片的尺寸为A4xir4；即形连接桥A的K度为町.矩形连接桥B和C的长度都为Wh.该天线采用同轴探针馈电,馈电点在距中心点的距肉为的-V轴匕加载的短路探针I）在U型外贴片处与微带犬线

11、接地面短接.图2给出了图I大线结构的等效电路模型.犬线最初的设计源r天线I.如图3所示.大线辐射贴片可以看作是矩形贴片加载一个U型槽形成天线II在I型外贴片和矩形内贴片之间的槽中增加r:个矩形连接桥A、B和C.在天线II的堪础E,天线hi在u型外贴片I：加载r一根短路探针I）,ji：位置如图所示.这相当F在天线的等效电路中引人K一个等效电感I.，从而形成了一个并联请振电路.该短路探针等效电感对天线的低频谐振频率起到调谐的作用,探针阻抗设为取,如图2所示.从图2中可以看出,整个天线可以等效为甲联谐振电路和井联谐振电路的组合并激励出J'两个相邻的谐振模式.天线的频带为度由此得到r展宽.图4

12、分别给出K天线设计过程中:个天线的回波损耗S”|.从图中町以开出，天线I在引入三个导体连接桥变成天线1【后,增加了内外贴片之间的电僦耕合.WLAN天线高频段谐振待性明显改萍.拓宽了高频段的阳抗，芾宽.在大线II的基础I.增加短路探针变成天线ill后.高频段的谐振频率没仃明显变化而对低频段谐振特性影响明显.这低明该短路探针诃以在不明显影响幻频谐振频率的情况R调节大线的低频谐振频率，同时还能进一少改善两个谐振频段的阻抗匹配.研究短路探针I）的位置心对天线性能的影响.固定N.他参数不变，改变心数位，该天线高、低频段hllp：/xbzrb.fzu.<Mlu.<-nI.S.Jffi的变化情况

13、如图5所示.从图中叩以召出心的伉增大时，低频段的谐振频率将向右偏移，而高频段的i皆振频率没有明显变化.这&明适当选抒该短路探针的位置心，可以在:不明显影响高频谐振频率的怙况下,调节天线的低频谐振频率.图4犬线I、大线II、天线III对成的IS“I曲线hig.4<j>rr<*s|N>n<liiigISMIcliarach-risticsofanlennaI,antennaIIandanlennaIII,门spedively/(illz图5短路探针位置七的变化对|扁|特性的影响Fig.5SiinuhitiMln*hirnlossofthepn»|M)

14、sc<laiiilcnnaiilhdifTrnuilvaluesof.td大线III即为最终设计的大线结构，经过电磁仿真软件的反发优化，所设计天线结构(如图1所示)的最佳尺寸见&I.M中天线I：下两层FR4介质板I"度均为0.6mm.天线剖面总以度为5.2mm,相对J低频段中心I：作频率2.45GHz的电K度为O.()42A(A为白由空间中的作波K).表1天线结构的详细参数Tab.l(*eometricparametersforproposedantenna(mm)卷数取值参数取fit参数取值参故取值70.0w.51.04.020.6h55.118.()5.18.2L、

15、35.1«414.()17.511.027.05.5为17.5h4.02实验结果与分析果于表1中优化结构尺寸制作了相应的天线实物,天线I：下两层介质板采用劾料螺丝固定，如图6所示.采用安恍伦E5O71C网络分析仪测试厂大线的I叫波损耗(|膈|)和在微波暗室中测试K大线的增益方向图,并与电磁仿井软件的仿宾结件进行对比,如图7-9所示.图7表明仿食和测试结果较好吻合.逋过观察测试结果,可以发现所设计双频天线实际的网波损耗10dB带宽分别为4.58%(2.39-2.50GHz)和15.45%(5.02-5.87GHz).大线在谐振点处的问波损耗分别为36.51<IB(2.45GHz处

16、)和20.17<IB(5.5GHz处).显示出天线良好的叫配性.(a)lElti(b)反血图6天线实物图Fig.6PhotographsofthefabricalcdiinlcniuiFig.7Measuredandsimukihxlr<4unilossSu|ofth<*anhuivui图8和图9分别给出了2.45和5.5GHz时，天线在图1中xz面位置的仿真与测试增益方向图.从图中可以看出，仿真与测试结果较好吻合.两者之间存在误差的原因在于：天线制作时所使用FR4介质材料的介电常数不稳定、微波暗室测试、天线加工尺寸和焊接等误差.从图中可以看出，天线在频率为2.45GHz处的

17、实测增益为6.14dBi,在频率为5.5GHz处的实测增益为8.82dBi.从测试结果可以看出，该天线在高、低两个频段均具备较好的定向辐射特性.图8天线在频率2.45GHz时仿真与测试增益方向图Fig.8Measuredandsimulatedradiationpatternsat2.45GHz图8天线在频率2.45GHz时仿真与测试增益方向图Fig.8Measuredandsimulatedradiationpatternsat2.45GHz图9天线在频率5.5GHz时的仿真与沔试增益方向图Fig.9Measuredandsimulatedradiationpatternsat5.5GHz3

18、结语研究一种应用于WLAN的低剖面单馈双频宽带微带天线.该天线具有较高的增益，完全覆盖IEEE802.Ua/b/n/ac标准所规定的所有工作频段.该天线采用在天线辐射贴片上加载U型槽实现双频，在内外辐射贴片间引入三个连接桥改善了阻抗的匹配，通过加载一根短路探针来调节低频段的阻抗匹配特性.测试结果表明.天线在低、高频段的工作带宽分别为110和850MHz.该天线剖面高度仅为0.042A，且结构简单，易于组成阵列，具有较好的应用前景.参考文献：1 QUANXL,LIRL,CUIYH,clal.Analysisanddesignofacompactdual-banddirectionalantenn

19、aJ.IEEEAntennas&WirelessPropagationIveners,2012,11(1)：547-550.2 LIRL,QUANXL,CUIYH,e/al.Directionaltriple-bandplanarantennaforWLAN/WiMaxaccesspointsfJ.ElectronicsLetter,2012,48(6)：305-306.3 SONXT,1KM0P.Dual-bandlow-profilecrossedasymmetricdipoleantennaondual-bandAMCsurfaceJ.IEEEAntennas&Wirel

20、essPropagationLetters,2014,13：587-590.4 PRITAMSB,SANTANUD,MANASS,etal.Proximity-coupledmicrostripantennaforBluetooth,WiMAX,andWLANapplicationsJ.IEEEAntennas&WirelessPropagationletters,2015,14：755-758.5 易钊，肖海林，胡振.一种适用于WLAN的新型小型化双极化天线J.微波学报.2013(4)：62-64；73.6 SRIMOONDA,PHONGCHAROENPANICHC,KRAIRIKSHM.Probe-fedrectangularringantennawithacross-stripforlowcross-polarizationJ.IEEETransactionsonAntennas&Propagation,2006,54(5):1586-1591.7 SIMC,TUS.Dua