緊湊輻射源雙頻天線

1、用于2.4/5.2/5.8GHz無(wú)線局域網(wǎng)應(yīng)用的緊湊輻射源雙頻天線摘要：這篇文章展示了一個(gè)小尺寸的用于2.4/5.2/5.8GHz無(wú)線局域網(wǎng)應(yīng)用的多頻天線。這個(gè)天線由一個(gè)L型和E型輻射單元組成用于產(chǎn)生共振來(lái)實(shí)現(xiàn)多頻操作。L型輻射單元直接由一個(gè)50的微波傳輸線饋電用于產(chǎn)生一個(gè)在5.5GHZ附近的頻帶來(lái)覆蓋無(wú)線局域網(wǎng)系統(tǒng)的兩個(gè)較高的頻帶。E型輻射單元通過(guò)L型輻射單元耦合饋電用于產(chǎn)生一個(gè)2.44GHZ附近的頻帶來(lái)覆蓋無(wú)線局域網(wǎng)較低的頻帶。結(jié)果是，L型和E型結(jié)合的非常緊湊，面積只有8*11.3mm2。主要尺寸參數(shù)的學(xué)習(xí)是使用計(jì)算機(jī)模擬研究。對(duì)于仿真結(jié)果驗(yàn)證，天線是在一個(gè)40*30*0.8mm3的襯底上

2、制作和測(cè)量的。用于測(cè)量系統(tǒng)饋電電纜的效果，外殼，無(wú)線設(shè)備的液晶顯示器的回波損耗，輻射模式，增益，效率也是用計(jì)算機(jī)模擬研究和測(cè)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(wú)線局域網(wǎng)1. 介紹目前，無(wú)線局域網(wǎng)是用于訪問(wèn)互聯(lián)網(wǎng)的最受歡迎的網(wǎng)絡(luò)之一。無(wú)線局域網(wǎng)用的是一個(gè)較低的頻帶，2.4-2.484GHZ（802.11b/g標(biāo)準(zhǔn)），和兩個(gè)較高的頻帶5.155.35 GHz and 5.7255.825 GHz（802.11a標(biāo)準(zhǔn)）。隨著無(wú)線設(shè)備的更小尺寸要求的增長(zhǎng)，天線設(shè)計(jì)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(gè)操作頻帶。無(wú)線局域網(wǎng)天線覆蓋三個(gè)頻帶的一個(gè)簡(jiǎn)單方法是將

3、一個(gè)單極子用于較低頻帶另一個(gè)單極子或者分支結(jié)構(gòu)用于兩個(gè)較高頻帶1-9。然而，由于在較低頻帶共振的單極子的長(zhǎng)度要求，這種方法導(dǎo)致天線具有相當(dāng)大的尺寸。用于減少負(fù)責(zé)較低頻帶單極子尺寸的新技術(shù)被提出了。例如，在1-7，負(fù)責(zé)低頻的單極子被彎曲成不同的形狀用于減少尺寸。達(dá)到的最小尺寸是利用一個(gè)FR4襯底（相對(duì)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(guān)于無(wú)線局域網(wǎng)應(yīng)用天線的設(shè)計(jì)。例如，在10中，一個(gè)開(kāi)口環(huán)作為一個(gè)單極子來(lái)產(chǎn)生雙頻操作。當(dāng)制作在一個(gè)相對(duì)介電常數(shù)為6.15的襯底上時(shí)這個(gè)設(shè)計(jì)的尺寸可以達(dá)到16*13mm2。報(bào)道11中展示了一個(gè)有趣的

4、無(wú)線局域網(wǎng)應(yīng)用設(shè)計(jì)，通過(guò)合并兩個(gè)環(huán)路天線時(shí)現(xiàn)了雙頻操作。然后，輻射單元很大因?yàn)槊總€(gè)環(huán)路都需要在一個(gè)波長(zhǎng)諧振模式下操作。在12中，地平面上的槽被切斷，用于產(chǎn)生無(wú)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(chǎn)生了共振。因此，天線的尺寸，包括大基板都特別大達(dá)到34*11.5mm2.在13中，一對(duì)對(duì)稱的水平條嵌入基本上的狹縫中，用于產(chǎn)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(shù)可以減小輻射單元的尺寸。在這些技術(shù)中，反向F天線是一種有效的方法14-17.但是對(duì)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(shè)計(jì)的關(guān)鍵點(diǎn)

5、在于合并反向F單元和其他輻射單元，從而達(dá)到小尺寸。未解決這一問(wèn)題，在18中，天線為2.4GHZ帶寬使用了一個(gè)直接饋電的反向F輻射單元和基板上的兩個(gè)狹縫來(lái)產(chǎn)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(gè)直饋電的反向F天線與一個(gè)寄生單元結(jié)合用于WLAN應(yīng)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(gè)縮入地面的末端用于產(chǎn)生5.8GHZ帶寬。天線的輻射源具有小尺寸達(dá)16.5*11.5*5mm3。但是由于PIFA的結(jié)構(gòu)，雖然相對(duì)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(gè)只需要很小尺寸的輻射單元（8*11.3mm2）來(lái)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(gè)L型和一個(gè)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?？拷麹型單元，并且通過(guò)L型耦合供給。從而只有一個(gè)饋點(diǎn)用于供給兩個(gè)分開(kāi)的單元，整體的尺寸就變得很小。天線的設(shè)計(jì)和研究是用EM仿真工具CST。為了核實(shí)，天線的組合和測(cè)量使用天線測(cè)量系統(tǒng)SatimoStarlab。傳輸電纜用于連接天線和測(cè)量系統(tǒng)影響測(cè)量結(jié)果20會(huì)導(dǎo)致一些和仿真數(shù)據(jù)又偏差的結(jié)果。為了認(rèn)識(shí)

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(jié)果可以很好地符合測(cè)量結(jié)果。更多的，本文還研究了無(wú)線設(shè)備的外殼和液晶顯示器的影響。2 天線設(shè)計(jì)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(dá)到50特征阻抗。（提出供給傳輸線長(zhǎng)度取決于特定無(wú)線設(shè)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(gè)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(chǎn)生了一個(gè)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(gè)改進(jìn)的反向F結(jié)構(gòu)，由L型通過(guò)小間隙g

9、耦合饋電，接地點(diǎn)用一個(gè)直徑0.3mm標(biāo)為G的縮短的單元，如圖一（b）。它產(chǎn)生一個(gè)在2.44GHZ左右的頻帶用于WLAN系統(tǒng)的低頻帶。這樣，這個(gè)天線就具有了雙屏帶，覆蓋所有的2.4/5.25.8GHZ WLAN頻帶。因?yàn)閮蓚€(gè)分開(kāi)的單元緊密放置在一塊，因此只需要一個(gè)饋點(diǎn)，輻射源的尺寸就變得很小。天線被設(shè)計(jì)在一個(gè)先對(duì)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(jì)算機(jī)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(xué)習(xí)兩個(gè)輻射單元的諧振頻率，天線的計(jì)算機(jī)仿真分別在只有L型輻射單元存在的情況和，兩個(gè)輻射單元都存在的情況。反

10、射系數(shù)S11的結(jié)果如圖二所示?？梢钥闯?，如果只有L型輻射單元存在天線的諧振頻率大約為7GHZ當(dāng)E型輻射單元加入天線中，新產(chǎn)生了一個(gè)2.44GHZ的低頻，并且7GHZ的諧振頻率轉(zhuǎn)移到5.5GHZ左右。 天線的進(jìn)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(shí)，圖三a中的模擬結(jié)果顯示，電流主要分布在E型單元上，E型單元導(dǎo)致諧振。在5.5GHZ時(shí)，如圖三b中的模擬結(jié)果顯示L型單元上的電流相當(dāng)大，導(dǎo)致諧振。計(jì)算機(jī)仿真結(jié)果表明，天線尺寸入兩個(gè)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(duì)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(jì)算機(jī)模擬。在g=0

11、.2，0.5，0.8mm時(shí)的S11如圖四a所示。隨著g的增加，即減少兩個(gè)輻射單元之間的耦合，較高的頻帶和較低的頻帶都會(huì)上升，較高頻帶的移動(dòng)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(huì)從2.39GHZ移動(dòng)到2.44GHZ和2.445GHZ，而較高的頻帶顯著的分別從5.23GHz移動(dòng)帶5.5GHZ和5.7GHZ，當(dāng)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(lái)使兩個(gè)頻帶更加良好的匹配。 圖四b 給出了不同的L2值對(duì)應(yīng)天線的仿真S11。表一提出L2=3.25mm是我們應(yīng)該設(shè)計(jì)的最優(yōu)值。圖四b表明L2對(duì)于較高頻帶的頻率影響較大，對(duì)較低頻帶影響較小。當(dāng)L2

12、=2.25,3.25,4.25的時(shí)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(méi)有受到很大影響。（這很簡(jiǎn)單，就是因?yàn)長(zhǎng)型單元負(fù)責(zé)5.5GHZ左右的諧振）這些結(jié)果指出，L2可以獨(dú)立調(diào)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(jié)果。圖四C給出L5對(duì)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(duì)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(duì)較低頻帶有影響。當(dāng)L7=1,2,3mm時(shí)，較低頻帶的中心頻率分別為2.5，2.44，2.36。對(duì)于較高頻帶，諧振頻率和帶寬都不會(huì)變化。這些結(jié)果指出L5和L7分別可以粗糙和細(xì)微的調(diào)節(jié)較低頻帶的諧振頻率，而不會(huì)影響較高頻帶。 基于這些結(jié)果的獲得，預(yù)期的雙頻天線的設(shè)計(jì)方法可以如下描述。 一·對(duì)于L型單元，設(shè)置L1+L2=/4，是高頻諧振時(shí)的波導(dǎo)波長(zhǎng)，L1和L2的比例類似于現(xiàn)行設(shè)計(jì)。 二·對(duì)于E型單元，設(shè)置L4+L5+L6+L7=/4，是低頻諧振時(shí)的波導(dǎo)波長(zhǎng)，L4，L5，L6，L7的比例類似于現(xiàn)行設(shè)計(jì)。 三·設(shè)置間隙為g=0.5mm，其他尺

14、寸如表一所示。 四·一，二，三步的設(shè)置不能恰好的產(chǎn)生高低諧振頻率，因此，分別用L7和L2分別微調(diào)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(cè)量和仿真結(jié)果圖一C中天線的輻射S11和輻射方向圖是由天線測(cè)量系統(tǒng) Satimo Starlab測(cè)量的。當(dāng)一個(gè)天線被置于Starlab 測(cè)量時(shí)，通常需要同軸線饋電來(lái)連接天線和系統(tǒng)。在測(cè)量小磁極子，低頻且天線地平面的電尺寸相對(duì)波長(zhǎng)較小時(shí)，電流會(huì)從天線流回饋電電纜，引起“二次輻射”?！?0】。導(dǎo)致輻射方向圖不準(zhǔn)確。這也改變天線上的電流分布，hence s11。為了減少對(duì)測(cè)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(duì)測(cè)量結(jié)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(zhǎng)186.5mm，被EM抑制劑油管覆蓋，厚度Wie1.25mm，相對(duì)介電常數(shù)為5，相對(duì)省透露為5，損耗角正切為0.004，磁損耗角正切為0.3。一個(gè)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(dāng)電纜長(zhǎng)度大于400mm時(shí)可以得出類似的結(jié)論，因此186.5mm的長(zhǎng)度是為了減少仿真時(shí)間。）仿真和測(cè)量的S11值如圖6所示?？梢钥闯觯?.5GHZ時(shí)，不使用電纜模型的仿真結(jié)果比測(cè)量結(jié)

16、果有有更大的帶寬。同軸線饋電電纜的使用，使得模擬結(jié)果和測(cè)量結(jié)果更好的吻合。較低頻帶的測(cè)量帶寬（S11<10dB）是從2.39到2.51GHZ，較高頻帶是從5到6.1GHZ。兩個(gè)頻帶都滿足WLAN的標(biāo)準(zhǔn)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(shí)使用和不使用電纜的結(jié)果如圖七所示。為了比較，相應(yīng)的測(cè)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(shí)，仿真結(jié)果中沒(méi)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(cè)量結(jié)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(shí)的仿真結(jié)果和測(cè)量結(jié)果很好地符合。這是因?yàn)樵诟哳l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(gè)下沉。 天線測(cè)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(shí)的數(shù)值結(jié)果列于表二中。當(dāng)饋電電纜用于仿真時(shí)，測(cè)量和仿真結(jié)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(zhǔn)確或者整個(gè)頻帶常數(shù)，2）SMA連接器和電纜的尺寸長(zhǎng)度不準(zhǔn)確。圖八顯示，在不使用電纜的時(shí)候，模擬的效率總是最高的，模擬和測(cè)量結(jié)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(shí)測(cè)量的最高增益小于仿真的增益，在5.8GHZ時(shí)大于。使用三維模擬輻射方向圖是為了研究這個(gè)原因。結(jié)果顯示，在5.8GHZ時(shí)，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?yàn)橹靼瓴辉趚-z或者x-y平面內(nèi)，由于篇幅限制，3D模式不在這兒展示。五·影響附近的導(dǎo)體和外殼盡管天線設(shè)計(jì)使用仿真和測(cè)量，當(dāng)天線安裝在一個(gè)無(wú)線設(shè)備上時(shí)，性能將受到附近導(dǎo)體和外殼的影響。如今，無(wú)線設(shè)備如手機(jī)，通常有一個(gè)大型液晶顯示器（LCD）安裝在一個(gè)金屬板上。在LCD下面，是一個(gè)安裝了電子組件的PCB板。手機(jī)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(gè)平面單極子天線，金屬板上會(huì)有一小塊被去掉，如圖9所示，以避免干擾天線。為了預(yù)期的天線研究這種情況，一個(gè)完美的電導(dǎo)體（壓電陶瓷）尺寸為100*60*1.75mm3，如圖9所示，這個(gè)在CST中被用于模擬LCD。在天線和LCD之間有一個(gè)間隙。（在實(shí)際中，天線地平面可以直接連接到LCD而不需要這個(gè)間隙，但是我們需要的天線需要被重新設(shè)計(jì)，因?yàn)檩^大的地面。為了方便起見(jiàn)，我們利用相同的天線做研究。）仿真和測(cè)量被用來(lái)研究LCD在S11，輻射方向圖，增益，效率方面的作用。當(dāng)天線和LCD之間的間隙gap=0.1 , 1 , 2.5 , 和5mm時(shí)，仿真的S11在圖10 中給出?？?/p>

20、以看出，gap的所有測(cè)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(cè)量的間隙尺寸為gap=2.5mm。當(dāng)gap=2.5mm時(shí)，仿真和測(cè)量的S11示于圖11中。評(píng)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(cè)量值更加符合。較低頻段的帶寬仍然是從2.35到2.5GHZ。對(duì)于較低頻段，測(cè)量的帶寬是從5到6.06GHZ，比沒(méi)有LCD時(shí)候（如圖6）略窄。LCD在6.5GHZ附近產(chǎn)生了一個(gè)額外的諧振。 在使用LCD模型時(shí)，模擬和測(cè)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(dāng)?shù)娜蜉椛浞较驁D。在不使用電纜模型，在5.2和5.8GHZ時(shí)，圖12b和c顯示天線在X方向具有很小的方向性。然而， 當(dāng)使用電纜模型時(shí)， 在這兩個(gè)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(shí)的仿真結(jié)果稍微貼近測(cè)量值。當(dāng)gap=2.5，圖13表示仿真和測(cè)量的效率和最大增益。使用電纜時(shí)仿真結(jié)果和測(cè)量結(jié)果非常吻合。在頻率為2.44 ，5.2 ，和5.8GHZ時(shí)，測(cè)量效率分別為66.8% ，8