新型宽频带多频段WiFi天线的设计

摘 要： 基于无线WiFi网络应用，设计一款适用于WiFi频段的宽频带多频段终端偶极天线。采用偶极天线设计原理来实现WiFi多频带，同时在天线结构正下方对天线进行耦合加载，实现驻波叠加以拓宽天线的带宽，降低天线的驻波比（VSWR）， 提高WiFi天线的增益（Gain）以提高天线的性能。制作加工了WiFi天线实物且实测，结果表明，基于HFSS仿真结果与实物实测的结果相当吻合，因此设计的这款天线非常适用于WiFi移动终端。

关键词： 驻波比降低； 宽频带； 多频段； WiFi； 偶极天线

中图分类号： TN822?34 文献标识码： A 文章编号： 1004?373X（2013）07?0086?03

0 引 言

随着移动互联网数据通信飞速发展，宽带无线接入技术得到快速发展及应用，如WiFi、蓝牙技术（Bluetooth）等，高速率的宽带接入技术不断发展提速，一方面广泛利用现有频率资源（如2.4 GHz，5.8 GHz工作频段）来实现高的数据接入速率，目前随着个人数据通信的发展，对无线网络通信的需求不断提高，作为极有应用前景的通信技术，设计工作在IEEE 802.11b协议标准移动终端天线频段范围为2.4～2.482 5 GHz，中心频率为2.44 GHz；在IEEE 802.11a协议标准移动终端天线工作频段范围为5.15～5.825 GHz，中心频率约为5.49 GHz。

近年来，半波偶极子天线得到广泛应用，基于半波偶极子天线的原理，本文设计一种基于平面型微带结构的偶极天线，微带结构的长度约为1/2个工作波长，加载偶极天线中间的两个相邻端口上激励起等幅反向的电压信号。从中心馈电的非对称微带偶极天线，其两端为开路，故电流为零。由于天线辐射贴片结构正下方有耦合贴片加载，可以大大减少天线的尺寸及增加天线的带宽，偶极天线还有结构容易加工，制作简单，成本低的优势。因此，在目前的移动通信终端系统里，尤其是移动终端的广泛使用，按照IEEE 802.11a及IEEE 802.11b协议WiFi移动终端天线的指标要求，创新地设计性能优越的微带偶极结构天线，采用高频电磁仿真软件（HFSS）对天线结构尺寸仿真优化，并加工实物实测天线的性能与仿真分析的结果相当吻合。

1 WiFi天线设计

WiFi天线设计采用基于偶极天线辐射原理，用半波长非对称微带线结构来实现，为了进一步缩小天线的尺寸，可以采用非对称的微带线结构和间隙电磁耦合加载，以满足移动终端天线的空间结构。

为设计的微带偶极天线的结构模型，整个WiFi天线结构模型大致分为以下几个部分，即介质层（FR4_epoxy）、低频（2.44 GHz）偶极子天线、高频（5.49 GHz）偶极子天线、微带馈线、耦合微带贴片。根据偶极天线原理理论分析，其谐振频率大约估算为：

[f=c4ε?l] （1）

式中：c为光速；[l]为偶极天线臂长；[ε]为填充介质介电常数。

天线的结构示意图

文中创新地采用了耦合贴片加载的方法拓宽天线高频段的带宽，为便于后续的天线参数化分析，即分析天线的各个参数对天线性能的影响，采用HFSS设计建模时首先定义天线的结构变量，使用参数扫描分析优化天线的结构尺寸，以满足设计要求的天线参数。最终优化天线几何参数如表1所示，天线采用50 [Ω]微带馈电网络。文中在微带贴片天线的基础上设计适用于WiFi终端的宽频带天线，采用介电常数为[ε]=4.4，厚度为[h]=1 mm的PCB。

天线结构参数尺寸表

[参数＼&数值 /mm＼&参数＼&数值 /mm＼&W1＼&2.9＼&L4＼&9.18＼&W2＼&1＼&L5＼&2.1＼&W3＼&2.36＼&L6＼&8.7＼&W4＼&3.5＼&L7＼&2.17＼&W5＼&2.1＼&L8＼&6.8＼&L1＼&22.7＼&L9＼&2＼&L2＼&11.35＼&L10＼&9.3＼&L3＼&2.17＼&L11＼&2＼&Y1＼&11＼&L12＼&0.7＼&[Ya]＼&0.89＼&X3＼&2.36＼&X1＼&2.36＼&Y3＼&8＼&]

2 天线仿真分析结果

采用Ansoft HFSS 软件进行建模仿真分析，从图2仿真曲线来看，去掉耦合贴片时，低频段的带宽及谐振效果变化不明显，高频段谐振深度大大增加，谐振效果变好，但高频段带宽不能满足天线的设计要求，天线正下方加载耦合贴片时，利用电磁耦合方法来实现天线辐射源与寄生贴片之间耦合，实现改变天线的谐振回路，能够形成多个谐振回路，因而具有多个谐振频率，从而展宽高频段天线的带宽，适当优化调节天线各项参数能够得到多个比较接近的谐振频率，以形成频带拓宽的多峰谐振网络。有利于增加天线的高频段带宽。

去掉耦合贴片回波损耗S11仿真曲线对比图

工程上通常以天线的-10 dB为天线的工作带宽，工作频段为2.31～2.57 GHz，4.66～10 GHz，相对带宽分别为10.65%，97%。从图2，图3可知：天线谐振频率点在2.44 GHz，仿真分析回波损耗值为-23.06 dB，实测回波损耗值为-38 dB， 由于仿真模型与实际天线结构有差异，对比可知，实测性能相比于仿真性能更好。

可知，天线的谐振点在5.49 GHz，此时的回波损耗值为-16.58 dB，明显可以看出，加了耦合贴片加载，低频段的工作带宽基本没影响，大大增加了天线高频段的工作带宽，并且大大降低了回波损耗值。由图4，图5可知，2.44 GHz谐振点的增益达到2.17 dB，5.49 GHz谐振点的增益达到4.15 dB，可知满足WiFi天线设计的指标要求。天线加工实物

2.44 GHz增益图

5.49 GHz增益图

天线加工实物图

3 结 语

本文设计一款新型的WiFi终端天线，基于传统偶极微带结构天线的分析与改进，设计一款非对称偶极天线微带结构。利用电磁耦合加载方法，实现加载耦合贴片不仅拓宽天线的高频段带宽，而且减少了天线的物理尺寸，使天线在高频段频带内有很好的匹配效果，还可以增强天线的前向辐射。并对天线的性能做仿真实测分析，结果表明，该天线的各项性能指标完全满足协议中对WiFi终端天线的要求，同时该天线结构简单，加工容易并且成本低廉，具有很好的应用前景。

参考文献

[1] 李明洋，刘敏，杨放.HFSS天线设计[M].北京：电子工业出版社，2011.

[2] HETTAK K， Delisle G Y， Stubbs M G. A novel variant of dual polarized CPW fed patch antenna for broadband wireless comunictions [C]// 2000 IEEE Antennas and Propagation Society International Symposium. Salt Lake City， UT， US： IEEE， 2000： 286?289.

[3] 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.

[4] 林昌禄.近代天线设计[M].北京：人民邮电出版社，1990.

[5] 方大刚.天线理论与微带天线[M].北京：科学出版社，2006.

[6] 阮成礼.超宽带天线理论与技术[M].哈尔滨：哈尔滨工业大学出版社，2006.