緊湊輻射源雙頻天線

1、用于2.4/5.2/5.8GHz無線局域網(wǎng)應用的緊湊輻射源雙頻天線摘要：這篇文章展示了一個小尺寸的用于2.4/5.2/5.8GHz無線局域網(wǎng)應用的多頻天線。這個天線由一個L型和E型輻射單元組成用于產生共振來實現(xiàn)多頻操作。L型輻射單元直接由一個50的微波傳輸線饋電用于產生一個在5.5GHZ附近的頻帶來覆蓋無線局域網(wǎng)系統(tǒng)的兩個較高的頻帶。E型輻射單元通過L型輻射單元耦合饋電用于產生一個2.44GHZ附近的頻帶來覆蓋無線局域網(wǎng)較低的頻帶。結果是，L型和E型結合的非常緊湊，面積只有8*11.3mm2。主要尺寸參數(shù)的學習是使用計算機模擬研究。對于仿真結果驗證，天線是在一個40*30*0.8mm3的襯底上

2、制作和測量的。用于測量系統(tǒng)饋電電纜的效果，外殼，無線設備的液晶顯示器的回波損耗，輻射模式，增益，效率也是用計算機模擬研究和測量的。索引詞：電纜效果，耦合饋電，雙頻，E型輻射單元，L型輻射單元，無線局域網(wǎng)1. 介紹目前，無線局域網(wǎng)是用于訪問互聯(lián)網(wǎng)的最受歡迎的網(wǎng)絡之一。無線局域網(wǎng)用的是一個較低的頻帶，2.4-2.484GHZ（802.11b/g標準），和兩個較高的頻帶5.155.35 GHz and 5.7255.825 GHz（802.11a標準）。隨著無線設備的更小尺寸要求的增長，天線設計者努力嘗試減少天線的物理尺寸，到現(xiàn)在覆蓋了所有的三個操作頻帶。無線局域網(wǎng)天線覆蓋三個頻帶的一個簡單方法是將

3、一個單極子用于較低頻帶另一個單極子或者分支結構用于兩個較高頻帶1-9。然而，由于在較低頻帶共振的單極子的長度要求，這種方法導致天線具有相當大的尺寸。用于減少負責較低頻帶單極子尺寸的新技術被提出了。例如，在1-7，負責低頻的單極子被彎曲成不同的形狀用于減少尺寸。達到的最小尺寸是利用一個FR4襯底（相對介電常數(shù)為4.4）15*10mm2,但是仍然大于我們期望的天線尺寸8*11.3mm2。這兒也有一些其他的關于無線局域網(wǎng)應用天線的設計。例如，在10中，一個開口環(huán)作為一個單極子來產生雙頻操作。當制作在一個相對介電常數(shù)為6.15的襯底上時這個設計的尺寸可以達到16*13mm2。報道11中展示了一個有趣的

4、無線局域網(wǎng)應用設計，通過合并兩個環(huán)路天線時現(xiàn)了雙頻操作。然后，輻射單元很大因為每個環(huán)路都需要在一個波長諧振模式下操作。在12中，地平面上的槽被切斷，用于產生無線局域網(wǎng)的較高頻帶并且地平面本身在較低的頻帶出產生了共振。因此，天線的尺寸，包括大基板都特別大達到34*11.5mm2.在13中，一對對稱的水平條嵌入基本上的狹縫中，用于產生雙頻諧振。狹縫占據(jù)了基本上的很大一部分約30*14mm2.WALN系統(tǒng)的天線尺寸主要由2.4GHZ的低頻決定并且有技術可以減小輻射單元的尺寸。在這些技術中，反向F天線是一種有效的方法14-17.但是對于多頻操作，天線需要更多的輻射單元，除了反向F單元。因此設計的關鍵點

5、在于合并反向F單元和其他輻射單元，從而達到小尺寸。未解決這一問題，在18中，天線為2.4GHZ帶寬使用了一個直接饋電的反向F輻射單元和基板上的兩個狹縫來產生5.2/5.8GHZ和3.5GHZ帶寬。反向F天線具有非常小的尺寸，6*13mm2，但是由于基板上的兩條狹縫，天線整體大小變得更大。在19中，提出了一個直饋電的反向F天線與一個寄生單元結合用于WLAN應用。在基本模型中，PIFA在2.4GHZ處諧振并且在第二模型中于5.2GHZ處諧振。寄生單元和一個縮入地面的末端用于產生5.8GHZ帶寬。天線的輻射源具有小尺寸達16.5*11.5*5mm3。但是由于PIFA的結構，雖然相對其他PIFA天線，

6、高度減少很多，但是相比平面天線仍然具有較大的輪廓，并且占據(jù)很大體積。在本文中，提出了一個只需要很小尺寸的輻射單元（8*11.3mm2）來覆蓋2.4/5.2/5.8GHZ操作頻帶的平面雙頻天線。輻射源由一個L型和一個E型單元組成，分別諧振于5.5和2.4GH處,L型單元是微波傳輸帶供給。然而，E型單元非常靠近L型單元，并且通過L型耦合供給。從而只有一個饋點用于供給兩個分開的單元，整體的尺寸就變得很小。天線的設計和研究是用EM仿真工具CST。為了核實，天線的組合和測量使用天線測量系統(tǒng)SatimoStarlab。傳輸電纜用于連接天線和測量系統(tǒng)影響測量結果20會導致一些和仿真數(shù)據(jù)又偏差的結果。為了認識

7、這些影響，這些傳輸電纜也被模式化用于仿真。這樣仿真結果可以很好地符合測量結果。更多的，本文還研究了無線設備的外殼和液晶顯示器的影響。2 天線設計圖一（a）展示了所提出的雙頻天線的3D模型，which has a radiator with an area of , a ground plane of and an overall dimensions of微波傳輸線具有1.8mm的寬度以達到50特征阻抗。（提出供給傳輸線長度取決于特定無線設備上天線安裝的地方可用的空間）輻射器件的集合模型在圖1（b）中展示，包括兩個輻射單元。These elements look like theletters

8、 and rotated by 90 and so are denoted here as an and -elements, respectively. The pre fixes and used to indicate the dimensions of Fig. 1(b) denote the widths and lengths,respectively, in different parts of the elements. L型單元圖中A處的饋線直饋電。它產生了一個5.5GHZ左右的寬屏帶用于WLAN的高頻帶在5.2和5.8GHZ.E型具有一個改進的反向F結構，由L型通過小間隙g

9、耦合饋電，接地點用一個直徑0.3mm標為G的縮短的單元，如圖一（b）。它產生一個在2.44GHZ左右的頻帶用于WLAN系統(tǒng)的低頻帶。這樣，這個天線就具有了雙屏帶，覆蓋所有的2.4/5.25.8GHZ WLAN頻帶。因為兩個分開的單元緊密放置在一塊，因此只需要一個饋點，輻射源的尺寸就變得很小。天線被設計在一個先對介電常數(shù)為3.5和損耗角正切為0.02的基片上，并利用計算機仿真優(yōu)化。最佳優(yōu)化數(shù)據(jù)在表格一中給出。天線也可以被制作成如圖一C所示放在襯底上用于模擬相同的電氣參數(shù)。3 參數(shù)研究 為了學習兩個輻射單元的諧振頻率，天線的計算機仿真分別在只有L型輻射單元存在的情況和，兩個輻射單元都存在的情況。反

10、射系數(shù)S11的結果如圖二所示。可以看出，如果只有L型輻射單元存在天線的諧振頻率大約為7GHZ當E型輻射單元加入天線中，新產生了一個2.44GHZ的低頻，并且7GHZ的諧振頻率轉移到5.5GHZ左右。 天線的進一步研究分別使用在2.44和5.5GHZ的模擬電流分布。在2.44GHZ時，圖三a中的模擬結果顯示，電流主要分布在E型單元上，E型單元導致諧振。在5.5GHZ時，如圖三b中的模擬結果顯示L型單元上的電流相當大，導致諧振。計算機仿真結果表明，天線尺寸入兩個輻射單元之間的耦合間隙g，L型單元上的L2和E型單元上的L5.L7都對諧振頻率非常敏感，因此這些尺寸參數(shù)的研究都是使用計算機模擬。在g=0

11、.2，0.5，0.8mm時的S11如圖四a所示。隨著g的增加，即減少兩個輻射單元之間的耦合，較高的頻帶和較低的頻帶都會上升，較高頻帶的移動更加顯著。隨著g從0.2增加到0.5和0.8mm，較低的頻帶分別會從2.39GHZ移動到2.44GHZ和2.445GHZ，而較高的頻帶顯著的分別從5.23GHz移動帶5.5GHZ和5.7GHZ，當g從0.2增加到0.5和0.8mm匹配較低頻帶和較高頻帶。因此g可以用來使兩個頻帶更加良好的匹配。 圖四b 給出了不同的L2值對應天線的仿真S11。表一提出L2=3.25mm是我們應該設計的最優(yōu)值。圖四b表明L2對于較高頻帶的頻率影響較大，對較低頻帶影響較小。當L2

12、=2.25,3.25,4.25的時候，較高頻帶的諧振頻率分別為5.78,5.5，5.37GHZ，但是2.44GHZ的低頻帶沒有受到很大影響。（這很簡單，就是因為L型單元負責5.5GHZ左右的諧振）這些結果指出，L2可以獨立調整較高頻帶的諧振頻率。 圖四c和d給出了E型輻射單元上L5和L7的參數(shù)研究結果。圖四C給出L5對較低頻帶和較高頻帶的頻率都具有很大的影響。隨著L5從0.05mm到1.55再到2.55mm，較低頻帶分別從2.67GHZ到2.44再到2.26GHZ，并且較高頻帶分別從5.86GHZ到5.5再到5.45GHZ。但是，L5對較高頻帶的帶寬影響不大，大約為1.6GHZ(S11<

13、-10dB)。圖四d指出L7值對較低頻帶有影響。當L7=1,2,3mm時，較低頻帶的中心頻率分別為2.5，2.44，2.36。對于較高頻帶，諧振頻率和帶寬都不會變化。這些結果指出L5和L7分別可以粗糙和細微的調節(jié)較低頻帶的諧振頻率，而不會影響較高頻帶。 基于這些結果的獲得，預期的雙頻天線的設計方法可以如下描述。 一·對于L型單元，設置L1+L2=/4，是高頻諧振時的波導波長，L1和L2的比例類似于現(xiàn)行設計。 二·對于E型單元，設置L4+L5+L6+L7=/4，是低頻諧振時的波導波長，L4，L5，L6，L7的比例類似于現(xiàn)行設計。 三·設置間隙為g=0.5mm，其他尺

14、寸如表一所示。 四·一，二，三步的設置不能恰好的產生高低諧振頻率，因此，分別用L7和L2分別微調低頻帶和高頻帶。 五·最優(yōu)化和匹配利用間隙和L5：L6（保持L5+L6不變）四，測量和仿真結果圖一C中天線的輻射S11和輻射方向圖是由天線測量系統(tǒng) Satimo Starlab測量的。當一個天線被置于Starlab 測量時，通常需要同軸線饋電來連接天線和系統(tǒng)。在測量小磁極子，低頻且天線地平面的電尺寸相對波長較小時，電流會從天線流回饋電電纜，引起“二次輻射”。【20】。導致輻射方向圖不準確。這也改變天線上的電流分布，hence s11。為了減少對測量輻射方向圖的影響， Starla

15、b 中的饋電電纜用抑制劑油管覆蓋，使電流流回電纜并從電纜輻射。然而，這種方法降低了天線的增益和效率?！?1】。為了研究電纜對測量結果的影響，天線和饋電電纜一起被建模于CST21，并示于圖五。電纜長186.5mm，被EM抑制劑油管覆蓋，厚度Wie1.25mm，相對介電常數(shù)為5，相對省透露為5，損耗角正切為0.004，磁損耗角正切為0.3。一個6.5*6.5*13.5mm3的金屬塊用模擬SMA模型連接器。（由仿真可知當電纜長度大于400mm時可以得出類似的結論，因此186.5mm的長度是為了減少仿真時間。）仿真和測量的S11值如圖6所示。可以看出，在5.5GHZ時，不使用電纜模型的仿真結果比測量結

16、果有有更大的帶寬。同軸線饋電電纜的使用，使得模擬結果和測量結果更好的吻合。較低頻帶的測量帶寬（S11<10dB）是從2.39到2.51GHZ，較高頻帶是從5到6.1GHZ。兩個頻帶都滿足WLAN的標準要求。 模擬天線的輻射方向圖在x-z和x-y，分別在2.44，5.2，5.8GHZ時使用和不使用電纜的結果如圖七所示。為了比較，相應的測量的輻射方向圖也在圖中給出。圖7a指出，在較低的頻率2.44GHZ時，仿真結果中沒有用電纜的獲得了最大的增益，如前述原因，并且更好的符合測量結果。此外，天線在x-z，x-y平面都有全向輻射方向圖，這類似于倒向F天線。在較高頻率5.2，5.8GHZ，圖7b,c

17、分別表示出使用和不使用電纜時的仿真結果和測量結果很好地符合。這是因為在高頻段，電纜的影響效果變得不再那么重要，這是由于天線地平面電尺寸的增加。天線在x-y方向有全向輻射方向圖并且在z-x平面上z方向有個下沉。 天線測量和仿真的效率和最高增益如圖八所示，在2.44，5.2，5.8GHZ時的數(shù)值結果列于表二中。當饋電電纜用于仿真時，測量和仿真結果可以很好地吻合。這兒的小差異主要由于1）用于模擬EM抑制劑油管的參數(shù)不準確或者整個頻帶常數(shù)，2）SMA連接器和電纜的尺寸長度不準確。圖八顯示，在不使用電纜的時候，模擬的效率總是最高的，模擬和測量結果之間的差異更大是在低頻段，如前所述的電纜原因。圖八b和表二

18、表示在不使用電纜且在2.44，5.2GHZ時測量的最高增益小于仿真的增益，在5.8GHZ時大于。使用三維模擬輻射方向圖是為了研究這個原因。結果顯示，在5.8GHZ時，電纜影響改變了輻射方向圖的主瓣方向，使它更加方向化病具有高增益。這種情況不能在圖7c中看到，是因為主瓣不在x-z或者x-y平面內，由于篇幅限制，3D模式不在這兒展示。五·影響附近的導體和外殼盡管天線設計使用仿真和測量，當天線安裝在一個無線設備上時，性能將受到附近導體和外殼的影響。如今，無線設備如手機，通常有一個大型液晶顯示器（LCD）安裝在一個金屬板上。在LCD下面，是一個安裝了電子組件的PCB板。手機天線通常安裝在金屬

19、板上，并且有外殼包圍。為了安裝一個平面單極子天線，金屬板上會有一小塊被去掉，如圖9所示，以避免干擾天線。為了預期的天線研究這種情況，一個完美的電導體（壓電陶瓷）尺寸為100*60*1.75mm3，如圖9所示，這個在CST中被用于模擬LCD。在天線和LCD之間有一個間隙。（在實際中，天線地平面可以直接連接到LCD而不需要這個間隙，但是我們需要的天線需要被重新設計，因為較大的地面。為了方便起見，我們利用相同的天線做研究。）仿真和測量被用來研究LCD在S11，輻射方向圖，增益，效率方面的作用。當天線和LCD之間的間隙gap=0.1 , 1 , 2.5 , 和5mm時，仿真的S11在圖10 中給出?？?/p>

20、以看出，gap的所有測試值天線可以覆蓋所有的WLAN頻帶。然而，由于依附在天線上的SMA連接器的物理尺寸，最小的可以用于測量的間隙尺寸為gap=2.5mm。當gap=2.5mm時，仿真和測量的S11示于圖11中。評估電纜影響在S11上的影響，使用電纜模型仿真的S11也在同一圖中展示?？梢钥闯?，使用電纜模型仿真的S11和測量值更加符合。較低頻段的帶寬仍然是從2.35到2.5GHZ。對于較低頻段，測量的帶寬是從5到6.06GHZ，比沒有LCD時候（如圖6）略窄。LCD在6.5GHZ附近產生了一個額外的諧振。 在使用LCD模型時，模擬和測量的在2.44GZ的輻射方向圖如圖12a所示。天線在x-z和x-y平面上仍然具有相當?shù)娜蜉椛浞较驁D。在不使用電纜模型，在5.2和5.8GHZ時，圖12b和c顯示天線在X方向具有很小的方向性。然而， 當使用電纜模型時， 在這兩個頻率上的輻射方向圖如圖12b和c所示，在x-z和x-y平面上都就具有更小的方向性。在使用電纜時的仿真結果稍微貼近測量值。當gap=2.5，圖13表示仿真和測量的效率和最大增益。使用電纜時仿真結果和測量結果非常吻合。在頻率為2.44 ，5.2 ，和5.8GHZ時，測量效率分別為66.8% ，8