0 引言
無線局域網(wǎng)WLAN(Wireless Local Area Network)是利用無線技術實現(xiàn)快速接入以太網(wǎng)，是無線通信技術與計算機網(wǎng)絡相結合的產物，是對有線局域網(wǎng)的一種補充和擴展。和有線網(wǎng)絡相比，WLAN具有可移動性、靈活性、更迅速、費用低、網(wǎng)絡可靠性高等優(yōu)勢。近年來，隨著IEEE 802．11a(5．15～5．35 GHz，5．725～5．825 GHz)和IEEE 802．11b／g(2．4～2．483 5 GHz)標準的提出，WLAN得到了迅猛發(fā)展．與此同時對WLAN天線的要求也越來越高，要求其體積小、重量輕、生產加工便捷、天線成本低廉，同時在功能上要求使用頻寬較寬以及有雙頻性能以同時達到IEEE 802．11a／b／g標準要求。所以，近年來對小型化的多頻段WLAN天線的研究大量涌現(xiàn)。
在平面單極子天線中，有一種倒L形平面單極子天線，國際上已經(jīng)對此進行了研究，在理論模擬仿真上，可以同時滿足IEEE802．11a／b ／g標準要求，其設計形式更簡單，在滿足帶寬的要求上，體積還可進一步的縮小。所以，本文將在原來的微帶饋電的倒L平面單極子天線的基礎上，改變其饋電的形式，研制出一種共面波導饋電的倒L-U平面單極子天線。仿真和實測表明該天線在WLAN的三個頻帶范圍內均具有很好的阻抗匹配和輻射特性。
1 倒L-U平面單極子天線的設計
1．1 天線分析與設計
WLAN天線形式有很多種，比如微帶天線，八木天線、平面單極子天線等等。選擇平面單極子天線的原因是，相對于微帶天線，其帶寬大；相對于八木天線，其體積小且容易共形。平面單極子天線與微帶天線的結構不同在于：在金屬輻射貼片對應的介質襯底另一側的金屬地板被去除，也就是采用了部分地板結構。微帶天線的帶寬低，因為其Q值大，即在輻射板與地板之間儲存了大量的能量。平面單極子天線的輻射板的對應地板去除了，加大了輻射電阻，輻射出去的能量也大大的增加，Q值變小，帶寬增大。選擇共面波導饋電的形式，將地板與輻射板共面，使得帶寬又增大了，而且結構更緊湊。但是由于天線與共面波導之間缺少有效的隔離，造成天線性能受共面波導尺寸的影響較嚴重。
本文所設計的平面波導饋電(CPW-feed)的單極子倒L-L形天線如圖1所示，由于Length1的長邊過于長，使整個板子的面積較大，本文通過曲流技術中的折疊技術，將Length1的長邊又進行了橫向折疊，如圖2所示，即共面波導饋電(CPW-feed)的平面單極子倒L-U形天線。折疊后的尺寸較之原先有了較大的縮減。
1．2 天線仿真結果分析
應用Ansoft HFSS仿真軟件，對圖2所示的天線進行仿真。根據(jù)文獻的設計經(jīng)驗，饋線寬度選擇為3 mm，介質板采用了最為常用的FR-4，其相對介電常數(shù)為4．4，厚度為1．6 mm。另外應用軟件ApPCAD2．0，計算出共面波導饋電結構的特性阻抗為50 Ω時，饋線與地板之間的縫隙寬度約為0．6mm。
天線電流傳輸方向的長度可以通過公式估算，本文所設計的天線需滿足覆蓋兩個頻段的要求，其中一個頻段覆蓋2．4 GHz，另一個頻段覆蓋5．2 GHz和5．8 GHz。因此本文選擇兩個中心諧振點頻率分別為2．45 GHz和5．25 GHz。根據(jù)計算可知對應于2．45 GHz的Length1= 29．15 mm，對應于5．25 GHz的Length2=13．61 mm。由圖2可知，Length1=W2+L2+L5／2應約等于29．15 mm，Length2=L4+L5／2需略大于13．61 mm。為了使整體結構緊湊、小型化、寬帶化，本文將對天線結構中的個別參數(shù)對天線性能的影響做仿真分析并加以比較。
本文通過分析地板寬度W7、輻射貼片處的橫條寬度W3、輻射貼片與地板之間的縫隙W4、U形片的W2長度以及L形片的L4長度等幾個參數(shù)的變化對天線S11頻率特性的影響，經(jīng)過一系列的優(yōu)化對比，得出以下數(shù)據(jù)，如表1所示。優(yōu)化后仿真所得的天線的仿真性能參數(shù)S11，VSWR以及遠區(qū)場的方向圖如圖3～圖7所示。
由上述可知，該共面波導饋電的平面單極子倒L-U天線具有高阻抗帶寬、小型化的顯著特點，其在-10 dB處的阻抗帶寬有兩段，分別為2．36～2．58 GHz和3．62～5．96 GHz，前一段的相對帶寬為8．9％，后一段的相對帶寬為48．9％，覆蓋了WLAN的工作頻帶。
2 天線的制作與測試結果
天線實物如圖8所示。
參數(shù)S11仿真與實測結果對比圖，如圖9所示，可以看出，實測結果與仿真結果對比在高頻段有較大的偏差，低頻段較為吻合。
3 誤差分析
由實驗測試結果可以看出，實際制作的WLAN寬頻帶天線的回波損耗與HFSS仿真軟件的模擬結果存在一定誤差。以下從五個方面分析造成誤差的原因。
(1)對于介電常數(shù)而言，高介電常數(shù)基板的關鍵參數(shù)是εr，因此準確的測定εr，是非常必要的；制作時所選用的基板的介電常數(shù)較低，影響其諧振頻率的關鍵性參量是天線輻射貼片Length1和Length2的長度誤差△L。而用共面波導饋電的方式(CPW-feed)，地板大小的誤差也是影響諧振點和帶寬的關鍵參量。在使用HFSS仿真時發(fā)現(xiàn)，天線貼片幾何尺寸的微小變化引起了仿真結果比較大的變化。所以，制作天線過程中貼片的微小誤差，對結果會產生較為嚴重的影響。
(2)SMA接頭處焊接不良、接口處有能量損耗等因素也是帶來誤差的原因。在測過多個焊接好SMA接頭的天線時發(fā)現(xiàn)，測得的結果總會有一定的不同。
(3)阻抗不匹配。由于共面波導饋電端口的特性阻抗受介電常數(shù)和貼片厚度影響，仿真時，貼片厚度是0．1 mm，計算得到的特性阻抗為50．2 Ω，而實際貼片厚為0．035 mm，計算得到的特性阻抗為56．1Ω，與SMA接口50 Ω不完全匹配。
(4)從軟件的角度來分析，基于數(shù)值分析方法的HFSS軟件本身只能提供數(shù)值解，且受設定的運算精度的限制，仿真結果與實際情況間必然存在誤差，這種誤差是不可避免的。
(5)實驗室測量方法、儀器、環(huán)境也是帶來誤差的原因。在測天線時發(fā)現(xiàn)，當天線放在不同的位置，測得的數(shù)據(jù)不一樣；當用兩個不同的分析儀測量時，結果也不一樣；在微波暗室中，墻壁吸波不完全，同時也不能完全隔絕外界雜波。
4 結語
本文根據(jù)常見的倒L平面單極子天線進行改進，設計了一款共面波導饋電(CPW-feed)的平面單極子倒L-U形天線。并通過仿真設計其總體尺寸為22 mm×35 mm，達到小型化的目的。根據(jù)仿真，天線-10 dB阻抗帶寬為2．36～2．58 GHz，相對帶寬為8．9％和3．62～5．96 GHz，相對帶寬為48．9％，滿足了WLAN的頻段要求。
