吳 迪,李九生

(中國計(jì)量學(xué)院信息工程學(xué)院,杭州310018)

一種基于倒“T”形貼片結(jié)構(gòu)的WLAN天線*

吳 迪**,李九生

(中國計(jì)量學(xué)院信息工程學(xué)院,杭州310018)

提出了一種基體背面有電磁帶隙結(jié)構(gòu)的倒“T”形雙頻微帶天線。研究發(fā)現(xiàn)該天線具有雙頻帶特性,其雙頻工作頻率分別為2.4 GHz和5.2 GHz,相應(yīng)的帶寬為805 MHz(2.099～2.944 GHz)和831 MHz(4.568～5.409 GHz),增益達(dá)到3.1 dBi。仿真和測試結(jié)果基本吻合,表明該天線可以很好地滿足WLAN工作頻段標(biāo)準(zhǔn)要求,具有很好的應(yīng)用前景。

無線局域網(wǎng);雙頻微帶天線;電磁帶隙;倒“T”形貼片

1 引 言

隨著無線通信技術(shù)的快速發(fā)展,通信系統(tǒng)對無線終端產(chǎn)品也提出了更高的要求:體積小、攜帶方便、性能穩(wěn)定。微帶天線以其體積小、重量輕、易于集成等優(yōu)勢而被廣泛應(yīng)用于便攜式無線設(shè)備上。由于微帶天線的性能與其貼片結(jié)構(gòu)密切相關(guān),而且天線都會產(chǎn)生表面波,但是表面波會影響天線輻射到空間中能量的效率,造成了天線的輻射效率降低。電磁帶隙結(jié)構(gòu)具有高阻抗特性,能夠有效抑制表面波,這樣電磁能量不會被束縛于貼片表面,從而提高天線的輻射效率[1-2]。Qu[3]采用高阻抗表面電磁帶隙結(jié)構(gòu)代替金屬接地板來抑制微帶貼片天線的表面波,與普通貼片天線相比,該天線的增益提高到了3.1 dBi,阻抗帶寬達(dá)到了24.69%。Pavlickovski[4]采用高阻抗表面電磁帶隙結(jié)構(gòu)抑制微帶貼片天線表面波使天線增益由1.2 dBi提高到了4.4 dBi,驗(yàn)證了高阻抗表面電磁帶隙結(jié)構(gòu)可以顯著提高天線的增益和輻射效率。Zhu[5]設(shè)計(jì)了一種采用電磁帶隙結(jié)構(gòu)作基板的共面貼片天線,該天線的工作頻段為2.4 GHz和5 GHz,增益達(dá)到了3 dBi。Alam等人[6]采用雙頻段單平面電磁帶隙結(jié)構(gòu)反射器和倒三角形貼片使天線能夠覆蓋更寬的頻段,天線在兩個頻段的增益分別提高了2.1 dBi和1.4 dBi。Pandey[7]等人設(shè)計(jì)了一種采用蘑菇型電磁帶隙結(jié)構(gòu)的階梯形單極天線,實(shí)現(xiàn)了覆蓋2.3～11 GHz的帶寬。

本文提出一種可應(yīng)用于WLAN的新型微帶天線。天線的正面貼片采用“T”形結(jié)構(gòu),在接地板上設(shè)計(jì)電磁帶隙結(jié)構(gòu),通過電磁帶隙結(jié)構(gòu)來抑制表面波。利用軟件對天線結(jié)構(gòu)進(jìn)行仿真設(shè)計(jì),獲得天線最終優(yōu)化結(jié)構(gòu)參數(shù),并完成加工與測試,獲得該天線的工作中心頻率為2.4 GHz和5.2 GHz,工作帶寬分別為805 MHz和831 MHz,能夠很好地覆蓋WLAN在2.4 GHz(2 400～2 484 MHz)和5.2 GHz(5 150～5 350 MHz)頻段標(biāo)準(zhǔn)。

2 天線結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)

本文提出的倒“T”形貼片天線結(jié)構(gòu)如圖1所示?；w材料采用FR-4,基體正面是在一個矩形輻射貼片底端兩邊加載了矩形振子的貼片,貼片形狀是一個倒“T”形,基體背面采用電磁帶隙結(jié)構(gòu)。圖1中w1為電磁帶隙結(jié)構(gòu)單元的長度,w2為單元間距,w3為貼片寬度,w4為矩形振子的寬度,w5為微帶饋線的寬度,L1為接地金屬板的長度,L2為微帶饋線的長度,L3為貼片長度,L4為矩形振子的長度,r為孔半徑。

圖1 倒“T”形貼片結(jié)構(gòu)的微帶天線Fig.1 Schematic diagram of the proposed antenna with inverted“T”patch

設(shè)天線輻射中心頻率為f,介質(zhì)板厚度為h,等效介電常數(shù)為εe,那么矩形貼片的寬度w3和長度L3可近似計(jì)算為[8]

式中,等效介電常數(shù)εr為相對介電常數(shù),c為真空中光速。

所設(shè)計(jì)的雙頻微帶天線的中心頻率可表示為

將電磁帶隙結(jié)構(gòu)等效為LC諧振電路,其等效電路如圖2所示。通過對等效電路模型的分析得出電路中的諧振頻率,從而可以得到相應(yīng)的電磁帶隙結(jié)構(gòu)尺寸的參數(shù)。

圖2 電磁帶隙結(jié)構(gòu)的等效模型電路Fig.2 Equivalent circuit model of electromagnetic band gap structure

本文中等效電路模型的電感和電容計(jì)算式為

假設(shè)天線的中心工作頻率為2.4 GHz和5.2 GHz,根據(jù)式(2)～(3)可以初步得到天線結(jié)構(gòu)的基本尺寸參數(shù)為:w1=8.5 mm,w2=0.6 mm,w3= 12 mm,w4=4 mm,w5=2.73 mm,L1=22.5 mm,L2= 25 mm,L3=20 mm,L4=2 mm,r=0.7 mm。

3 仿真與測試

由于電磁帶隙結(jié)構(gòu)個數(shù)對天線輻射和工作頻段產(chǎn)生影響,故先分析獲得所需工作頻率對應(yīng)的電磁帶隙結(jié)構(gòu)單元的數(shù)目。本文在仿真中采用CST(CST MICROWAVE STUDIO)軟件進(jìn)行計(jì)算,得到電磁帶隙結(jié)構(gòu)單元個數(shù)對天線性能的影響,如圖3所示。從圖中可以看出,微帶天線結(jié)構(gòu)中沒有添加電磁帶隙結(jié)構(gòu)時,天線中心工作頻率為1.9 GHz和4.9 GHz,不能滿足WLAN工作頻段標(biāo)準(zhǔn)的要求。隨著電磁帶隙單元個數(shù)的增加,低頻段和高頻段的中心頻率點(diǎn)均發(fā)生改變。當(dāng)天線中電磁帶隙結(jié)構(gòu)單元達(dá)到4個時,天線中心工作頻率變?yōu)?.2 GHz和4.8 GHz;當(dāng)天線中電磁帶隙結(jié)構(gòu)單元達(dá)到8個時,天線中心工作頻率變?yōu)?.4G Hz和5.2 GHz,相應(yīng)的反射系數(shù)降低了3 dB,這是因?yàn)殡姶艓督Y(jié)構(gòu)通過其自身耦合作用能有效抑制表面波,從而降低了微帶天線的反射系數(shù)。根據(jù)圖3計(jì)算結(jié)果,本文最終確定所設(shè)計(jì)的倒“T”形貼片天線的電磁帶隙結(jié)構(gòu)單元個數(shù)為8個,此時該倒“T”形貼片天線的中心工作頻段為2.4 GHz和5.2 GHz,帶寬分別為805 MHz和831 MHz。

圖3 回波損耗與電磁帶隙結(jié)構(gòu)單元個數(shù)的關(guān)系Fig.3 Relationship between return loss and electromagnetic band gap units cell numbers

本文加工制作的倒“T”形貼片天線如圖4所示。利用微波網(wǎng)絡(luò)分析儀R3765CH對所加工天線進(jìn)行測試分析,結(jié)果如圖5所示。天線的第一個中心頻率點(diǎn)為2.4 GHz,頻帶寬度為761 MHz(2.113～2.874 GHz);第二個中心頻率點(diǎn)為5.2 GHz,頻帶寬度為945 MHz(4.553～5.498 GHz),可以有效覆蓋WLAN頻段標(biāo)準(zhǔn)。測試曲線與仿真曲線之間存在少許差異,主要由于饋點(diǎn)焊接不夠準(zhǔn)確從而導(dǎo)致阻抗不匹配,并且測試環(huán)境存在干擾,難以實(shí)現(xiàn)仿真中的理想環(huán)境。

圖4 倒“T”形貼片結(jié)構(gòu)天線的實(shí)物照片F(xiàn)ig.4 Photography of the proposed antenna

圖5 測試與仿真結(jié)果Fig.5 Measurement and simulation results

圖6 和圖7分別為該天線在f=2.4 GHz和f= 5.2 GHz時的E面和H面場圖。從圖中可以看出,當(dāng)工作頻率點(diǎn)f=2.4 GHz時,天線的最大增益和半功率波束寬度分別為2.6 dBi和82.2°;當(dāng)工作頻率點(diǎn)f=5.2 GHz時,天線的最大增益和半功率波束寬度分別為3.1 dBi和56°。仿真與測試結(jié)果基本吻合。

圖6 f=2.4 GHz的天線場圖Fig.6 Radiation pattern of antenna when f=2.4 GHz

圖7 f=5.2 GHz的天線場圖Fig.7 Radiation pattern of antenna when f=5.2 GHz

4 結(jié) 論

本文提出一種可應(yīng)用于WLAN的倒“T”形貼片結(jié)構(gòu)的雙頻微帶天線,并對其進(jìn)行了仿真與加工測試。研究結(jié)果表明,該天線的第一個中心頻率為2.4 GHz,頻帶寬度為805 MHz(2.099～2.944 GHz),輻射角為82.2°,天線增益為2.6 dBi;第二個中心頻率為5.2 GHz,頻帶寬度為831 MHz (4.568～5.409 GHz),輻射角為56°,天線增益為3.1 dBi。該天線能很好地覆蓋WLAN頻段標(biāo)準(zhǔn),在WLAN通信中具有廣闊的應(yīng)用前景。

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WU Di was born in Nanjing,Jiangsu Province,in 1989.He recieved the B.S.degree from Nanjing University of Science and Technology in 2012.He is now a graduate student.His research concerns antenna theory and design.

Email:vzaiwudi@126.com

李九生(1976—),男,廣西桂林人,博士,中國計(jì)量學(xué)院教授,主要研究方向?yàn)樘掌澕夹g(shù)與應(yīng)用。

LI Jiu-sheng was born in Guilin,Guangxi Zhuang Autonomous Region,in 1976.He is now a professor with the Ph.D.degree.His research concerns technology and application of Terahertz.

Email:981524973@qq.com

A Microstrip Antenna Using Inverted T-shaped Patch for WLAN Application

WU Di,LI Jiu-sheng

(College of Information Engineering,China Jiliang University,Hangzhou 310018,China)

An inverted T-shaped patch microstrip antenna using electromagnetic band gap(EBG)structure on the ground plane is presented.The measured 10 dB bandwidth for return loss reaches 805 MHz(2.099～2.944 GHz)and 831 MHz(4.568～5.409 GHz),which covers both the 2.4 GHz/5.2 GHz WLAN (Wireless Local Aerea Network)bands.Furthermore,the 3.1 dBi of relative high gain is achieved.The measured data is in good agreement with the simulated.The study indicates that the proposed antenna can satisfy the WLAN band standards and has a good prospect of application.

WLAN;dual-frequency microstrip antenna;electromagnetic band gap;inverted T-shaped patch

Zhejiang Qianjiang Talent Project(2013R10065)

date:2013-07-04;Revised date:2013-11-20

浙江省錢江人才計(jì)劃項(xiàng)目(2013R10065)

**通訊作者:vzaiwudi@126.com Corresponding author:vzaiwudi@126.com

TN823

:A

:1001-893X(2013)12-1620-04

吳 迪(1989—),男,江蘇南京人,2012年于南京理工大學(xué)獲學(xué)士學(xué)位,現(xiàn)為中國計(jì)量學(xué)院碩士研究生,主要研究方向?yàn)樘炀€理論與設(shè)計(jì);

10.3969/j.issn.1001-893x.2013.12.015

2013-07-04;

2013-11-20