一种应用于Wi_Fi频段的小型化天线设计_刘昕.docx

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1、 第 41卷第 6期 2014年 12月 25日 数字通信 Digital Communication Vol41, No. 6 Dec. 25 2014 59 DOI: 10. 3969 / j. issn. 1005 -3824. 2014. 06. 018 一种应用于 WiFi频段的小型化天线设计 刘昕，刘杨 (重庆电信研 .究院，重庆 401336) 摘 要：针 对 0前流行的 3G/4G手机、移动个人电脑、 pad平板电脑、 P0S移动支付设备以及物联网等新型应用中 各种新型智能终端设备对 Wii天线在高增益、高选择性、高效宇 1、紧凑性、低制造生产成本与易生产加工性上的迫 切需求，

2、提出了以通用型 FR4板村为基础的小型化缝隙型高性能 2.4GHz WiTi频段天线设计方案。通过加入分 布式等效带通滤波器可有效地提高天线在工作频段的阻抗匹配性能。最后通过实物测试，该天线射频指标良好： 增益 （ 1.475 dBi)、反射 （ 17 dB)、选择性带宽 （ 42 MHz( -10dB),并证实了设计与天线实例具有较好的一致性。 关键词： WiTi;缝隙天线；小型化 中图分类号 :TN929.5 文献标识码 :A 引言 近年来，基于 K： EE802. 11系列标准的 Wili无 线通信发展迅速，并在传输速率、覆盖范围及信息安 全等方面都有突飞猛进的发展。特别是在近距离个 人

3、娱乐、商用信息、新兴物联网等领域都有爆炸性的 应用增长。作为无线通信系统中发射和接收 电磁波的重要前段器件 天线的性能对整个系统 的通信质量至关重要。按具体使用场合的差异，目 前流行的天线实现方式多种多样，形态更是 五花八门，如传统的鞭状天线、弹簧天线、波导喇叭 类天线、柔性 PIFA天线、 LTCC微带天线等。受消 费市场应用推动天线的小型化、多频带和多 天 线等技术成为研宄的热点。但受辐射体在材料与 电尺寸等方面的物理限制，天线小型化与高性能化， 仍然面临很大的挑战。 与此同时，国内无线 AP的数量呈迅猛的増长， 无线网络的方便与高效性使其能够得到飞速的普及 与应用。除在公共场所普遍安装

4、AP覆盖之 外，国外己经有先例以无线标准来建设城域网。不 难看出作为无线通信的地位将会日益牢固， 并会在较长时期内保持主导地位与良好的增长趋 势。因而对小型化、高效率、高性能 WiFi天线的需 求也是显而易见的。但目前 LTCC， MEMS等新兴工 艺存在制作工艺设备投资大、加工难度 大、批量性能 不稳定以及承受功率、机械强度上的诸多限制，因此 研宄采用流行现成工艺实现的小型化高性能 W i Fi 收稿日期 :2014-09-05 修 M 日期 :2014-09-30 文章编号： 1005-3824 (2014) 06005903 天线势在必行。 1基础天线的实现 由天线的辐射原理特性可知，半

5、波长偶极子天 线振子的工作频率与射体等效电长度、载体介电常 数相关，并符合以下经验公式的描述 1。 2 (1) A A A g _ V *re (2) A C A = -7 (3) 以上 3个公式中： /为频率 ;C为真空中光速 为基材相对介电常数 ;X。为真空中的特征波长 ; 为基材中的等效特征波长。 考虑天线实现及材料的通用性，拟选定普通板 厚为 0.8 mm的 FR4双面板为实现载体。随即可获 得相关 2. 4GHz的偶极子天线有效电长度约为 30 mm。同时由于双面印制板工艺限制，普通通用 FR4 PCB材料的最常用铜皮厚为 0. 018 mm。 由公式 8 = 1 (4) 式 (4)

6、中： /为频率 ;为真空磁导率 ;p为导体导电 率。 可知 2.4GHz频率对应的屈服深度约为 1 x 10_5mm， 如采用普通 FR4材料，天线辐射电流将集 中分布在 PCB铜皮表面很薄的薄层中。随即将产 生较大的辐射功率损耗，降低了天线的辐射效率与 60 数字通信 第 41卷 图 3 J型阻抗转换器还原与阻抗特性 抗匹配的同时，还应拥有良好的辐射参数指标，天线 增益是其中最为重要的关注点。由单极天线的辐射 原理不难发现，通过改变天线有效辐射地面尺寸与 形状，可有效地控制天线的辐射方向与增益。借助 全波电磁设计工具可以对天线表面电场、辐射特性 进行观察，并与目标天线尺寸进行比较权衡，进而快

7、 速地确定天线福射地面的最佳尺寸。经过最佳参数 组合调整，本设计的天线辐射地面尺寸定位 31 mm， 此时最大辐射方向上的增益为1.475 dBi。 天线表 面电场分布与辐射特性如图 4所示。 图 4天线表面电场分布与辐射特性 2.3实例天线与测试验证 设计完成后通过精密雕刻加工系统进行天线实 例，如图 5所示，并使用 Agilent 8722ES矢量网络分 析仪为核心的微波 TEM - CELL测试系统进行射频 参数测试。 通过测试验证了该天线实例具有良好的天线指 标：RL矣 - 17 dB， Gain = 1.475 dBi， BW =42 MHz (-10 dB)。同时在反射（图 6)、

8、辐射特性（图 6)上 与设计指标具有良好的吻合性。同时也验证了全波 电磁设计工具、精密雕刻加工系统工艺整体配合良 好，天线设计、加工、射频测试全过程具有较好的可 靠度与重现性。 承载功率，进而在很大程度上限制了天线的广泛应 用。与此同时，原始偶极子天线固有的对称辐射体 振子结构决定了该类天线必添加巴伦非对称转换 器，才能与常用射频同轴导线 构成平滑过渡连接。 但巴伦元件的加入必将进一步的增大天线损耗，影 响天线的整体紧凑性，为天线的应用带来更多的限 制。为解决损耗与体积的问题，本天线实现采用了 由半波长偶极子天线经镜像 2、尺寸再缩减折叠方 法优化而来的 1/4波长缝隙型偶极子结构。结合 CP

9、W传输线过渡结构 (4)可构成与同轴线的平滑连 接，就得到了基础的天线结构如图 1所示。经全波 电磁计算可得原始的天线阻抗为： Za = (42.48 + 396. 8) 11，其中 y代表虚部阻抗。 B 图 1原始天线结构 2天线优化与实例测试验证 2.1天线阻抗匹配 天线的阻抗匹配为天线设计中的重要步骤，良 好的阻抗匹配使天线具有良好的辐射效率与频率选 择性。为获得良好的天线 50 阻抗匹配性，本天线 设计引入了包含 J型阻抗转换器（图 2)的分布式带 通滤波器 3。 ABC D 图 2等效 J型阻抗转换器 经过 J型阻抗转换器等效分布尺寸转化与 HF- SS全波电磁 EDA软件优化拟合，

10、可获得的天线结 构与阻抗匹配设计结果如图 3所示。 Za = (49.03 + 只 .149 )n。 2.2天线辐射参数调整 一款优良的天线设计在具有良好辐射效率与阻 1111111111=111= 第 6期 刘昕等：一种应用于 WiFi频段的小型化天线设计 61 图 6天线反射与辐射特性测试结果 3结语 本文通过在通用型 FR4 双面板上构造 1/4波 长缝隙型偶极子天线，并通过内嵌 J阻抗转换器的 带通滤波器与辐射方向调整，并经过天线加工实例 测试验证，确认成功获得了尺寸为 39 mm X 19.3 mm、带宽 42 MHz( - 10 dB)、增益 1.475 dBi 的 2.4GHz频

11、段 WiFi用天线。今后如能利用高介 电常数 PCB材料，或使用多层通用 FR4 PCB构造人 工光子晶体，及其它慢波结构等人工高等效介电常 数材料，将能进一步缩小天线体积。或在目前相同 尺寸条件下，通过实现半波长振子偶极子天线，而获 得更高的增益参数。同时也可通过增加不同频率特 性电尺寸的并联天线振子，获得包含 5GHz及其它 频段的多频天线，以满足新型终端的多频 WiFi 应用需求。 参考文献： 1 DAVID M. Pozar, microwave engeneering M . Fourth e- dition . Hoboken, USA: John Wiley & Sons? In

12、c2012: 278-283. 2 SEYMOUR B. Cohn, slot line on a dielectric substrate DG . Microwave Theory and Techniques， 1967, 17 (10): 768778. 3 MATTHAEI G L, YOUNG L, JONES E M T. Microwave filters impedance snatching networks and coupling structures M . North Bergen, USA: Artech House, 1980:430- 433. 4 豊田一彦

13、.3 7、一于導波路 （ CPW)杳用 回路設 計 C .MWE96, Microwave Digest， 1996. 5 新井宏之 .新 7 工学 M.日本国東京都：総合 電子出版社， 1996. 6 川崎繁男，中谷彰文 .夕口波平面回路 CAD設 計 I M.日本国東京都 ： y 7 彳乂社， 1996. 作者简介： 刘昕（ 1982-)，男，工程师，主要研宄方向为毫米波器 件、电磁兼容设计与电磁场计算；刘杨 （ 1986-)，男，工程 师，主要研宄方向为嵌入式与无线通讯应用设计。 Miniaturized antenna design for Wii band LIU Xin， LIU

14、Yang (Chongqing Institute of Telecommunications， Chongqing 401336,1). R. China) Abstract:For the increasing demand of 3G/4G smart phone mobile PC， Pad，tabletC， POS equipment and the other new type of applications such as the internet of thing etc, a miniaturized slot antenna with high gain, high sel

15、ectivity high radiation efficiency and low cost based on normal FR4 PCB work on the 2. 4GHz Wii band is proposed in this design. To get the high level of impedance matching, an equivalent circuit band pass filter was employed. Finally it shows an outstanding performance： Gain (1.475 dBi) , Return loss ( - 17 dB) , Bandwidth (42 MHz ( - 10 dB) . Also it shows the good conformity of the design with instance. Key words: Wi - Fi, slot antenna, miniaturization ( 责 任 编 辑 迟 蕾 )