小型化倒F双频WLAN天线的设计
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【摘 要】提出了一种倒F型平面印刷结构的双频天线，其PCB尺寸为20mm（长）×13mm（宽）×1.5mm（厚）。天线工作于2.3―2.49GHz和5.14―5.84GHz频段，带内驻波小于2.0，水平面方向图呈全向辐射性能，适用于WLAN系统应用。仿真设计在综合考虑天线主要结构参数对阻抗特性的影响之后，加工了天线实物并在不同的应用环境条件下进行实测。数据表明，实验结果与仿真结果一致，最终的天线具有结构简单、易于加工、方便集成的特点。
[Abstract] A dual-band inverted-F planar printed antenna is presented in this paper. The size of the antenna is 20mm（height） ×13mm（width） ×
1.5mm（thickness）. It operating frequency range is 2.3-2.49GHz and 5.14-5.84GHz and its in-band voltage standing wave ratio （VSWR） is less than 2.0. Its horizontal pattern is suitable for wlan applications because it has omni-directional radiation pattern. Fully considering the influences of structure parameters and impedance characteristics in simulation， the antenna in-kind is produced and tested in different application conditions. Data demonstrate that experimental results accord with the simulation results and the antenna has the features of simple structure， convenient production and integration.
[Key words]WLAN compact dual-band inverted-F antenna
1 引言
随着短距离无线通信业务的蓬勃发展，WLAN（Wireless Local Area Networks，无线局域网）技术取得了较快进步，它被广泛应用于手机、笔记本电脑、掌上电脑等便携式通信设备。作为无线通信收发终端，工作于IEEE 802.11b/g（2.4―2.485GHz）和IEEE 802.11a（5.15―5.35GHz，5.725―5.825GHz）的WLAN天线要求低轮廓、重量轻、全向辐射等特点。因此，设计出小型化的WLAN双频天线具有非常大的现实意义。
近年来，平面印刷多频天线受到越来越多的关注，对于各种形式的双频天线，很多文献已有研究。其中，文献[1]和文献[2]分别提出一种新颖的三角槽和Y型结构双频天线，获得了双频段特性，天线带宽能够完全覆盖IEEE 802.11a和IEEE 802.11b/g相对应的工作频段，但天线尺寸太大，分别达到75mm×75mm×0.8mm和75mm×40mm×0.8mm；文献[3]提出了一种小型化PIFA天线，总体尺寸只有10mm×3mm×3.5mm，当回波损耗小于10dB时，在2.45GHz可获得160MHz的阻抗带宽，但并没有完全覆盖WLAN的工作频段；文献[4]利用弯折线和倒L加载的平面单极子天线获得了一种小型化双频天线，总体尺寸只有29mm×15mm×1.5mm，且能够完全覆盖WLAN的工作频段，不过并没有考虑在不同工作环境对天线性能的影响；文献[5]提出采用谐振环馈电的双频WLAN天线，在2.4GHz和5.5GHz WLAN应用频段具有足够的阻抗带宽，但是馈电方式较复杂，不利于集成。
本文针对已有WLAN双频天线的一些不足，以倒F天线为基础，利用弯折线和倒L加载等小型化技术，提出了一种WLAN双频天线改进设计方案，能够在较宽的频段上实现良好的驻波比和方向图特性。
2 天线结构与原理
本文提出的双频倒F天线结构如图1所示：
（a）介质板上层结构正面图
（b）介质板下层结构正面图
天线设计在介电常数εr为4.4、厚度H为1.5mm的PCB介质板上，整体尺寸为20mm×13mm×1.5mm，介质板下层有部分金属地结构。为了获得介质板上下面的辐射，辐射臂的正下方没有金属地，A、B两点是50欧姆同轴线的跨馈焊接点，通过跨馈方式直接馈电。
由于倒F天线是谐振天线，其驻波比不大于ρ的相对带宽的计算公式为[6]：
所以，在ρ值一定时，要展宽天线带宽就要减少Q值，如减小介质板相对介电常数、增大介质板厚度等。故本文采取相对介电常数为4.4、厚度为1.5mm的FR4基片材料，使得天线带宽展宽。另外，还可以通过加载短路针的方法来有效展宽天线的带宽。
802.11b/g协议要求天线工作频段为2.4―2.485GHz，则中心频点约为2.44GHz，由谐振天线相关原理，计算低频辐射臂长度为[7]：
由上述相关公式，基本确定贴片和介质板的尺寸，从而得到基本的天线模型。其中，L1、L2分别是天线低频和高频辐射臂的长度，随着L1和L2的变化，馈点到两个辐射边的电流路径相对改变，从而改变了天线贴片的谐振频率。而L5是阻抗匹配段的贴片长度，由于天线高频段带宽较宽，需通过阻抗匹配段来展宽带宽，即利用阻抗匹配段与主天线臂的耦合产生相应的频段，并与天线原有频段叠加，从而展宽了谐振带宽。下面主要通过优化L1、L2和L5的大小来改善天线的电路参数。
3 仿真与实测结果分析
本文采用三维电磁仿真软件HFSS对天线进行仿真设计。在进行天线设计时，首先建立高频辐射臂、低频辐射臂和接地片结构进行仿真，并调整辐射臂长度，使其谐振在2.4GHz和5.5GHz频点附近，然后在馈电和接地片之间加载匹配网络，通过调整匹配段的尺寸，实现天线阻抗带宽的展宽。
3.1 电路参数分析
通过改变馈电结构，能够展宽天线的阻抗带宽，因此改变馈电结构的参数对天线的性能影响较大。但各参数的影响深度不同，L1和W1主要影响天线低频段，L2和W2主要影响天线高频段，L4、W4、L5、W5、L6和W6是倒F双频天线阻抗匹配段的相关参数，它们主要影响天线高频段。下面主要优化图1（a）中的L1、L2和L5参数来分析馈电结构对电路参数的影响。
如图2（a）所示，L1参数对天线高频段带宽影响较小，主要影响低频段的带宽。随着L1的增大，高频段的谐振点位置基本不变，而低频段阻抗带宽变窄，谐振点向低频方向漂移，阻抗匹配变好。
如图2（b）所示，L2参数对天线低频段带宽影响较小，主要影响高频段的带宽。随着L2的减小，低频段的谐振频率位置基本不变，而高频段谐振频率向高频方向漂移。当L2=9.5mm和L2=8.5mm时，高频段存在两个谐振点，随着L2的减小，其中一个谐振点向高频方向漂移，另一个谐振点基本不变；当L2=7.5mm时，两个相近的谐振点基本重合，就相应地拓展了5.14―5.84GHz频段的带宽。
如图2（c）所示，L5参数对天线低频段带宽影响较小，主要影响高频段的带宽。随着L5的增大，低频段的谐振频率位置基本不变，而高频段谐振频率中寄生的高频点向高频方向漂移。当L5=11.5mm和L5=12mm时，高频段逐渐形成一个谐振点；当L5=12.5mm时，在5.14―5.84GHz的谐振频率具有宽频带特性。
用HFSS进行参数优化，最终确定的几何尺寸如表1所示。
图3为天线回波损耗随频率变化曲线。由仿真结果可以看出，天线具有双频段特性，其回波损耗小于-10dB的带宽为2.3―2.49GHz和5.14―5.84GHz，相对带宽分别为7.9%和12.8%，覆盖了WLAN整个频段，可以满足无线通信标准IEEE 802.11a/b/g的要求。
3.2 辐射参数分析
在天线带宽范围内，选取2.4GHz和5.5GHz这2个频率点对天线的增益辐射方向图进行分析。
图4是倒F天线在2.4GHz和5.5GHz的水平面方向图。天线在这2个频率点的方向图变化不大，不圆度分别是0.21dB和0.73dB，均近似为全向辐射。其辐射方向图类似一个偶极子的辐射方向图。当天线单独作用时，能够起到良好的覆盖效果，同时由于尺寸较小以及介质板的损耗，导致增益较低。其中，高频的增益比低频高，但对应的空间损耗相对较大，绕射能力也相对较差，结果是2个频段的覆盖可以更加均衡。
总之，方向图的设计满足设计的初衷，但是由于小天线方向图受周围环境影响较大，因此单独的倒F天线的方向图只做参考，在设计时更加注重天线的阻抗性能的优化。
3.3 天线加工与实测结果
本研究按照表1所示的天线几何尺寸制作了实物天线，天线实物图如图5（a）所示，图5（b）是通过网络分析仪测量得到的天线回波损耗随频率变化曲线的实测数据，两个频段的中心频率点是2.32GHz和5.60GHz，对应的回波损耗是-18.8dB和-22dB。由此可见，在低频段实测数据优于仿真数据，满足回波损耗小于-10dB的带宽为2.15―2.5GHz；在高频段实测数据与仿真数据有点偏差，满足回波损耗小于-10dB的带宽为5.19―6.0GHz，这主要是由于加工精度和焊接工艺造成的。
WLAN天线的应用环境十分复杂，而且尺寸小的天线容易受到边界环境的影响，因此本文探究了该天线在不同边界环境下的回波损耗变化幅度。将尺寸较大的金属块（100mm×50mm×60mm）分别置于天线左边20mm、右边20mm和下面20mm，实测的回波损耗如图6所示。
图6中的3条曲线分别是在天线左边、右边和下面放金属块时，天线回波损耗随频率变化实测数据。在不同的边界环境下，天线谐振点略有偏移。对于低频段，由于单独天线的低频段阻抗带宽较宽，因此在低频段能够保持在不同边界条件下回波损耗仍小于-10dB，满足一般WLAN天线的要求；对于高频段，其影响更大，其中在天线下面放金属块影响最为严重，这一点在天线设计和布局当中应该加以注意。
4 结束语
本文研究了一种可用于WLAN系统的倒F天线，其面积小、成本低、结构新颖，具有良好的全向性能和双频段特性，回波损耗小于-10dB的带宽为2.3―2.49GHz和5.14―5.84GHz，满足WLAN天线的要求，因此可广泛运用于射频前端，具有较强的实用性。同时，还给出了天线设计的详细过程，为同类型的倒F天线设计提供参考。
参考文献：
[1] Jeun-Wen Wu. 2.4/5GHz Dual-Band Triangular Slot Antenna with Compact Operation[J]. Microwave Opt Technol Lett， 2005，45（1）： 81-84.
[2] Hai-Ming Hsiao， Jui-Han Lu， Jeun-Wen Wu. Y-Shaped Monopole Antenna with Dual-Broadband Operation for WLAN[J]. Microwave Opt Technol Lett， 2006，46（8）： 1476-1480.
[3] H W Liu， C F Yang. Miniature PIFA without Empty Space for 2.4GHz ISM Band Applications[J]. Electronics Letters， 2010，46（2）： 113-115.
[4] Kim T H， Park D C. CPW-Fed Compact Monopole Antenna for Dual-Band WLAN Applications[J]. IEEE Electronics Letters， 2005，41（6）： 324-325.
[5] Y Liu， J Lee， K Jung， et al. Dual-Band PIFA Using Resonated Loop Feed Structure[J]. Electronics Letters， 2012，48（6）： 309-310.
[6] 钟顺时. 微带天线理论与应用[M]. 西安： 西安电子科技大学出版社， 1991.
[7] Balanis C A. Antenna Theory： Analysis and Design[M]. 3rd ed. John Wiley & Sons， 2001.