一種水平極化平面印刷全向天線(xiàn)的設(shè)計(jì)

摘 要：介紹了一種水平極化奎向天線(xiàn)，先仿真設(shè)計(jì)再加工制作，最后實(shí)際測(cè)試。結(jié)果表明：在2．4GHz頻段上，獲得了120MHz的帶寬(VSWR<3)和良好的全向方向圖。該天線(xiàn)被印刷在一塊面積只有24.3×24.3mm2的FR-4介質(zhì)板上，結(jié)構(gòu)簡(jiǎn)單緊湊，可用于無(wú)線(xiàn)局域網(wǎng)終端通信。

關(guān)鍵詞：水平極化全向天線(xiàn)2．4GHz頻度無(wú)線(xiàn)局域網(wǎng)終端

全向天線(xiàn)在無(wú)線(xiàn)通信中發(fā)揮著重要的作用，常見(jiàn)的多是垂直極化天線(xiàn)，水平極化的不多，然而水平極化全向天線(xiàn)卻有著獨(dú)特的應(yīng)用。在城市或者室內(nèi)無(wú)線(xiàn)環(huán)境中，雖然基站發(fā)射的都是特定的極化信號(hào)，比如常見(jiàn)的垂直極化信號(hào)，但是很難直接傳播到移動(dòng)終端，一般要經(jīng)過(guò)多徑傳播，即信號(hào)要經(jīng)過(guò)反射或者繞射，或者反射加繞射，或者繞射加反射，才能到達(dá)移動(dòng)終端。在經(jīng)過(guò)多徑傳播后，極化要發(fā)生旋轉(zhuǎn)，因此一般來(lái)說(shuō)，多徑信號(hào)到達(dá)移動(dòng)終端時(shí)，既有水平極化信號(hào)，又有垂直極化信號(hào)。由于多徑傳播是隨機(jī)的，因此這些信號(hào)也是隨機(jī)的�？梢钥紤]在移動(dòng)終端安裝一個(gè)水平極化天線(xiàn)和一個(gè)垂直極化天線(xiàn)，從而獲得較好的接收信號(hào)�；蛘咴诎l(fā)射端和接收端分別安裝兩個(gè)天線(xiàn)，一個(gè)水平極化天線(xiàn)和一個(gè)垂直極化天線(xiàn)，以得到兩個(gè)不相關(guān)的信號(hào)，這就是極化分集，它正是利用了空中水平路徑和垂直路徑的不相關(guān)性來(lái)實(shí)現(xiàn)抗快衰落的。據(jù)研究，發(fā)射端和接收端都采用水平極化天線(xiàn)的系統(tǒng)比發(fā)射端和接收端都采用垂直極化天線(xiàn)的系統(tǒng)可以多獲得平均10dB的功率。因此研究水平極化全向天線(xiàn)有著重要的現(xiàn)實(shí)意義。

本文設(shè)計(jì)了一種可用于2．4GHz頻段移動(dòng)終端的水平極化全向天線(xiàn)，屬平面結(jié)構(gòu)，被印刷在一塊面積只有24．3×24．3mm2的常見(jiàn)電路板上(FR-4)。經(jīng)仿真設(shè)計(jì)、加工制作和實(shí)際測(cè)試，獲得了120MHz的帶寬(VSWR<3)和良好的全向方向圖。

1 分析與設(shè)計(jì)

為了實(shí)現(xiàn)水平極化輻射，可考慮采用環(huán)結(jié)構(gòu)。在文獻(xiàn)[7]中采用Alford環(huán)結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)了一個(gè)工作在900MHz的平面印刷水平極化全向天線(xiàn)。本文采用此結(jié)構(gòu)進(jìn)行2．4GHz頻段的設(shè)計(jì)。天線(xiàn)結(jié)構(gòu)如圖1所示。在方形介質(zhì)基板(FR一4，sr=4．4，為常見(jiàn)電路板)的兩面分別印刷兩層金屬帶，頊面是一個(gè)Z型金屬帶，底面也是一個(gè)相同的z型金屬帶，但是注意，要讓上下兩個(gè)Z的四臂圍成一個(gè)方環(huán)，且兩個(gè)Z的斜臂要平行。饋電用500 SMA頭進(jìn)行背饋。

因?yàn)榻Y(jié)構(gòu)具有對(duì)稱(chēng)性，所以上下兩個(gè)Z型金屬帶上的電流分布幅度相同，相位相差180°，如圖2所示。由于上下兩個(gè)金屬帶之間的距離(亦即介質(zhì)基板的厚度)比較小，則上下兩個(gè)z斜臂上的電流就相互抵消，而在上下兩個(gè)Z的其它四個(gè)臂上建立起環(huán)形電流分布，從而輻射一個(gè)水平極化波。得到預(yù)期的全向方向圖。

該天線(xiàn)兩個(gè)金屬帶各臂的長(zhǎng)度和寬度要精心設(shè)計(jì)，從而達(dá)到較好的輻射和阻抗匹配。本文采用Ansoft公司的三維電磁仿真軟件HFSS9.2經(jīng)過(guò)多次反復(fù)設(shè)計(jì)得到的尺寸如下：t=2mm，L1=22.3mm，L2=8.5mm，Wl=5mm，W2=1．5mm。

2 制作與測(cè)量

根據(jù)上面仿真設(shè)計(jì)的尺寸，制作了該天線(xiàn)。采用矢量網(wǎng)絡(luò)分析儀Wiltron-7269A測(cè)量了該天線(xiàn)輸入端的電壓駐波比．并與仿真結(jié)果做了比較，如圖3所示。在半開(kāi)放遠(yuǎn)場(chǎng)測(cè)量暗室，對(duì)天線(xiàn)工作在2．45GHz時(shí)的方向圖進(jìn)行了測(cè)量，也與仿真結(jié)果做了比較，結(jié)果如圖4、圖5所示。

由圖3～5可以看到：在2．45GHz頻段上，該天線(xiàn)獲得了120MHz的帶寬(VSWR<3)和良好的全向方向圖．且整體上都與仿真結(jié)果基本吻合。

本文基于電流環(huán)思想設(shè)計(jì)了一種水平極化平面印刷全向天線(xiàn)。利用HFSS進(jìn)行了仿真設(shè)計(jì)，并加工制作了該天線(xiàn)，測(cè)試結(jié)果表明：在2．4GHz頻段，該天線(xiàn)獲得了120MHz的帶寬(VSWR<3)、良好的E面方向圖和H面方向圖(全向方向圖。)該天線(xiàn)可用于2．4GHz無(wú)線(xiàn)局域網(wǎng)終端通信。

下一步的工作是如何將電壓駐波比降到3以下，且?guī)�寬滿(mǎn)足ISM2．4GHz頻段的要求(2400NHz～2483．5MHz)。