用于WLAN的双频单极天线的设计

[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WS型贴片总宽W地板宽度W介质基板厚度HS型贴片各宽度W1、W2、W3、W4、W5、W6S型贴片总长L2S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=1\*Arabic1.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SolutionFrequency为4GHz。因为设置的双频段位于2.4GHz和5.8GHz，所以本次仿真扫频范围为1.8GHz~6.5GHz，此范围段考虑到2.4GHz和5.8GHZ频段前后的波动性，可以使扫描仿真分析更加直观和准确。经HFSS的仿真及优化后，获得的优化参数包括：W=22mm，L2=15.5mm，L1=25mm，H=1mm，D=7mm，W1=2mm，T=2mm，W4=1mm，W5=2mm，W6=6mm，L3=14mm，L4=6mm，W2=2mm，W3=1mm，L5=3mm。=2\*Arabic2.天线的仿真分析上述我们简单概括了WLAN用于双频段的印刷单极天线的仿真设计及其相关的各项优化参数值，由此引出关键的仿真的结果分析。天线仿真获得的回波损耗S11曲线如图3.3。图3.3天线的回波损耗S11图3.4天线的VSWR由图3.3可知，在2400MHz（m1）与2500MHz（m2）的回波损耗值分别为-20.99dB和-22.84dB，而用m3和m4表示的5700MHz，5850MHz的回波损耗值各达到-14.98dB及-14.15dB。这四个频点不仅小于一般值（-10dB），而且m1与m2之间、m3与m4之间的频段都小于-10dB，这表示该天线仿真出来的回波损耗特性良好。当天线运行完仿真分析后，点击查看工程树按钮Results下生成的VSWR（电压驻波比）的报告，具体结果如图3.4所示。从目前研究来看，还没有发现有那一款设计的天线的驻波系数（也称驻波比）能够完全等于1，从而使得馈线部分与天线阻抗匹配度满值，因为这在实际仿真操作中需要考虑到各种天线性能的影响程度，就算仿真能够如期望所得，在天线实际制作中也会因为器件磨损、焊接等问题使得天线的性能有所下降，所以高频能量被全辐射传输的现象很少且反射损耗也是正常存在的。从天线的电压驻波（VSWR）曲线图看出，v1与v2表示的2.4GHz、2.5GHz频段之间的驻波比系数都约处于1.2左右，而v3、v4所代表的5.7GHz和5.85GHz之间的频段都约在1.5左右，这表明此次设计的天线驻波满值设计指标所要求的驻波小于或等于2。驻波没有大于2，说明天线的反射功率不是很高，且阻抗匹配程度良好。图3.5天线的三维增益图3.5表示的是天线的三维增益仿真结果分析。左图为2400MHz-2500MHz频段的天线增益，其所在频段最大增益为3.70dB左右。而右侧图表示的是5700MHz与5850MHz之间的天线增益分布情况，从图中可看出此频段内的最大增益能达到5.45dB左右。从这两个图可得知本次设计的天线在增益方面满足了天线指标（即大于等于2dB）。除此之外，从三维增益图可以得知此天线的S型贴片的最大辐射方向在S型贴片的法向方向——Z轴坐标方向。图3.6频率为2.45GHz的天线辐射方向图如图3.6所示，其表示的是频率处于2.45GHz时的天线辐射方向图，其包括了E面和H面的方向图，而对于频率为5.8GHz时的辐射方向图则如图3.7所示，在这个极坐标中也给出了本款天线的辐射方向图的E面和H面。从这两个频段的辐射方向图中看出，天线处于水平方向时拥有良好的全向特性。图3.7频率为5.8GHz时的天线辐射方向图如图3.8所示为天线参数S11的Smith圆图分析结果，从图可知，位于上部分的m1标记点处的2.45GHz频率时的归一化阻抗为1.0216-j0.0459，经过计算得出天线在该频点处的输入阻抗为（51.08-j2.295），与50相差不大。而位于圆图下部分的m2标记处的频点5.8GHz的归一化阻抗为0.9416-j0.3715，则天线在5.8GHz频点的输入阻抗为（47.08-j18.575）。图3.8天线参数S11的Smith圆图结果3.3天线的各性能分析为了使仿真的天线的性能得到更好的仿真优化结果，此小结将投入到各参数对天线性能的影响的探究中去。此外，希望通过图线数值更好且更清晰的得出更加符合此次目标天线的具体值。本款研究的WLAN双频印刷单极天线是属于微带天线的范畴，而在微带天线的研究过程中，馈电结构网络的设计参数一直都对天线的性能存在着直接的影响，鉴于此，本次也对这次采用的T型馈电网络的长度L8进行了参数扫频分析，且L8=L1+D。L7是S型贴片谐振路径的一部分，L7=L4+T。此次改变L7的值以探其对谐振模式的影响。L1为结构模型中的地板长度，而D为结构模型中馈电结构长度的一部分。并且本小结对天线参数W也进行了一定程度的分析，通过改变其大小数值，分析其对S参数的影响，探究其辐射贴片宽度W值对本次所设的天线回波损耗的影响。图3.9天线参数W不同值的S11的扫频结果图3.10天线参数L8不同值的S11扫频结果如图3.9所示，其分析的是不同辐射贴片W值对S11回波损耗的影响以及对其谐振频率的影响。在介质基板厚度不变和S型对称贴片不变的情况下，对S型贴片的宽度W进行设置，数值介于21-24mm之间，步进值为1mm。从图中的分析结果得出，在2.4GHz左右的频段时每个W值的谐振频率相差甚大，且回波损耗数值也不一样。而在5700MHz至5850MHz频段也是随着宽度W的不一样，开始呈现出S11差异。由此可知，该天线的S型贴片的宽度W的大小会影响天线的回波损耗的性能。图3.11天线参数L7变化后的S11扫频结果如图3.10所示，此图表示的是天线T型耦合馈电结构的长度参数L8的S11的仿真扫频分析。由图知，在介质基板取1mm、辐射贴片取22mm的情况下，通过改变L8的参数查看回波损耗分析结果。当频率为2.5GHz左右时，L8为32mm的回波损耗约是-28dB，而L8等于33mm时的S11值为-25dB，并且在5.8GHz的频段内也是出现32mm的损耗值小于33mm值的情形，由此可看出馈电结构的长度L8的大小会对此WLAN天线的性能造成直接的影响。如图3.11所示，这是对S型对称辐射贴片的公共部分的贴片长度L7进行分析，从中我们可以看出随着L7值得不断变化，其谐振模式已固定无多少改变，然而其天线的损耗特性还是存在差异。因此，参数L7对天线的性能也有着不大不小的影响。3.4天线的总结本章节主要是用HFSS仿真设计其用在WLAN双频段的印刷单极天线，简单阐述了其天线模型的结构，并且描述了一下软件仿真的具体流程，其后得出了天线驻波比增益等数值分布图以及天线的辐射方向图等，从中得出所设计天线基本达到目标要求的结论，同时对天线的一些参数进行了一些对比分析，探究得出天线性能的影响因素。天线经过优化设计后一并获得了良好的阻抗特性。总的来说，此款天线具有简单轻便，集成度好等特点，能够使单极天线WLAN频段的双频工作顺利开展。第4章WLAN、双频印刷单极天线实物制作与分析本章节主要介绍WLAN、双频印刷单极天线实物的制作过程以及分析仿真结果与实测结果，从中了解实际测量的误差原因。4.1天线的实物制作本小节讲述的是此次设计的双频单极天线的实物加工制作过程。本次加工选择的介质板材料为F4BM-2，介电常数2.2，厚度1mm。具体加工顺序如下所述。第一步，从HFSS软件中将模型导出，并在AutoCAD中打开。用该绘图软件绘好各图层，再将其导入到AltiumDesigner软件中绘制好天线模型的PCB图纸。第二步，打印图纸，并且按照22mm×49mm的规格切割一块介质基板，此时需注意将基板上的金属氧化层用砂纸轻刮干净，将图纸上的模型经高温印刷在磨砂后所选的介质基板上。第三步则是对印刷好的板子进行腐蚀，使其多余的金属去掉，从而留下自己所设计的天线结构。第四步，将腐蚀完成的板子上的黑墨用砂纸刮掉，并将射频连接器焊接到介质基板上，本次选用的射频器为SMA—KE外螺内孔直头偏角。经过上述步骤后，天线的实物图如图4.1所示。左图的天线正面由地板和S型辐射贴片组成，而右图的天线背面为T型馈电结构。图4.1天线实物4.2天线的分析本小结是对天线实测的S11图进行分析及与仿真结果作比较。如图4.2所示，其表示的是所制作的天线的印刷实物结构实际测试的回波损耗S11结果图。从图中可知标记1为2.435GHz时的回波损耗为-15.357dB，没有大于-10dB的值，所以天线实物勉强满足2400MHz-2500MHz的频率指标。而标记2表示的是天线处于5.165GHz时的S11为-11.161dB，在图中它邻近-10dB，表示自标记2开始横坐标往右的频率值都高于了-10dB，这也意味着本次实际加工的天线未能满足5700MHz-5850GHz的频段指标。而造成这个现象的主要原因可能是由于基板材料的选择，由于材料的局限性，未能使用仿真中的RogersRT/duroid5880（tm）材料，而是尝试用F4BM-2材料，结果是没有增强板材料的支撑使得高频段偏低，无法达到5.8GHz的要求。图4.2天线的实际测试图图4.3天线的仿真结果图图4.3所示的是天线的仿真结果分析，从图中可得出在2400MHz-2500MHz的频段间天线的回波损耗都小于-20dB，且5700MHz-5850MHz的S11也是小于-14dB，它们都达到天线的仿真要求，而在图4.2的实际测试图中低频段的回波损耗相对与仿真图却高了五六个dB左右，高频段也是损耗值偏高。天线加工后造成的差异除了介质板的材料的选择，其还包括加工过程中切割介质板的准确性以及焊接的问题等。例如切割时缺乏专门的切割器使得板子大小有误差和损耗变大，以及印刷腐蚀过程中的磨损和焊接射频器的误差等，这些都导致了实际测试中误差问题的发生。4.3天线小结本章节讲述了本次设计的双频印刷单极WLAN天线的加工制作流程，同时分析了实测天线图与天线仿真图之间的误差分析，这样不仅利于更好的理解理论与实际的差异，而且对于后期的研究制造的改进起到了一定的指导作用，避免其天线研究的盲目性。第5章结束语天线的存在是无线通信领域的一大助力，所以对于天线的设计是必不可或缺的。如今Wireless通信业务发展迅猛，人们对于无线局域网的要求更高——小型化、双频及宽频带。本论文设计的天线除了能够应用于WLAN双频之外，其印刷单极天线的本体更囊括了小型化、集成度好和剖面低等特点。因此，本款天线具有的意义价值是可观的。本论文是通过理论结合以及HFSS软件仿真分析得出天线的各参数对本款天线性能的影响，并且通过优化得到天线结构的最优值，从而设计出更贴合本次目标方向的天线，此外通过实际制作测量从实践中印证天线的实用性。第三章的内容主要围绕本款天线的结构以及仿真分析开展讨论，此天线展示了其自身结构的小型轻便、集成性能等亮点。通过观察仿真后的驻波图、S11图和辐射方向图可以的到驻波比满足小于或等于2的指标以及增益大于2dB的要求，天线在水平方向上体现的全向辐射特性良好。其天线WLAN频段信号能够满足今下各行各业及个人对无线通讯的高需求。天线采用的S型辐射贴片用到了对称结构使天线辐射方向图愈加接近理想图。本人对天线涉猎不广，自知知识面不够广泛，所以在选题之后就利用各种资源查阅与天线相关的知识，包括各种图书、文献和论文等。经过系统的学习后渐渐掌握了微带天线的研究方法并且对相关的馈电知识有了一定的了解，进而选择设计此款WLAN天线。本文旨在考虑所设计的天线是否具有双频性、增益和驻波达到目标要求，没有考虑到天线的互阻性及口径效率等参数的问题，以后有待探讨。总之，由于本人自身知识匮乏、时间的有限性等问题，所以本文还有局限的地方且考虑的方面还不全面，后期本人将更加努力学习，加强理论知识的培养，跳出知识的局限性，努力完善不足。对于文中不足的地方还需老师们批评指正，本人万分感谢。参考文献彭超.应用于WLAN的小型化双频宽带微带天线研究[D].西安：西安电子科技大学，2011.ChenKK,ZhaoJx.Band-notcheddesignoftheplanarmonopoleantennaforWLAN/WiMAXapplications[J].MicrowaveandOpticalTechnologyLetters,2010,52(12)：2782-2786.常舒，李迎松，杨晓冬.Adual-frequencyantennaforWLAN/WiMAXapplications[J].2011.WongKL,HuangCH.Printedloopantennawithaperpendicularfeedforpenta-bandmobilephoneapplication[J].AntennasandPropagation,IEEETransactionson,2008,56(7)：2138-2141.杜利博.应用于GSM和WLAN的双频天线和双频滤波器的设计[D].大连：大连海事大学，2014.李文娟.一种用于WLAN/WIMAX的双频带印刷单极子天线[A].中国电子学会.2015年全国微波毫米波会议论文集[C].中国电