王利紅， 馮彩霞

(山西大同大學(xué) 物理與電子科學(xué)學(xué)院， 山西 大同 037009)

用于WiFi頻段的極化分集天線的研究與設(shè)計

王利紅， 馮彩霞

(山西大同大學(xué) 物理與電子科學(xué)學(xué)院， 山西 大同 037009)

本文設(shè)計了一個用于WiFi頻段的極化分集天線， 該天線由水平極化的縫隙天線和垂直極化的單極天線組成， 利用其電場的垂直正交特性， 可以提高分集天線兩個端口間的隔離度. 所設(shè)計的天線尺寸為24 mm×36 mm， 測量與仿真結(jié)果顯示該天線能工作在2.28～2.55 GHz 和5.63～5.87 GHz兩個頻段內(nèi)， 具有較好的輻射特性， 天線單元間的隔離度達到了30 dB以上.

高隔離度； 雙頻段極化分集天線； 小型化天線

WiFi是連接上網(wǎng)的常用方式， 隨著寬帶無線接入技術(shù)的飛速發(fā)展及應(yīng)用， 無線連接設(shè)備變得越來越多， 人們對無線連接的速度、 穩(wěn)定性等方面的要求也越來越高， 同時利用天線的分集技術(shù)可以減小信號傳輸?shù)亩鄰剿ヂ浜屯l道干擾， 于是研究應(yīng)用于WiFi頻段的雙頻極化分集天線成了一個熱點.

隔離度是極化分集天線的一個關(guān)鍵技術(shù)， 一般要求達到30 dB以上. 在文獻[1]和[2]中， 分別應(yīng)用了開槽和添加調(diào)諧枝節(jié)的方法來提高隔離度. 文獻[3]中的極化分集天線通過在地面插入一個T型的調(diào)諧枝節(jié)來提高隔離度. 在目前的雙極化分集天線中， 用的主要是 45°正交的極化， 雖然天線的分集效果比較好， 但是其尺寸一般都比較大， 可以將兩個極化方式相互垂直正交的單元組成極化分集天線， 在提高隔離度的基礎(chǔ)上實現(xiàn)天線的小型化. 文獻[4] 提出了一種垂直極化的寬帶多頻WiFi天線， 該天線采用了耦合貼片加載的方法拓寬了高頻段的帶寬， 文獻[5]中介紹的是一種水平極化的雙頻WiFi天線， 兩者組合可以獲得正交極化模式.

本文設(shè)計了一個高隔離度的極化分集WiFi天線， 可以工作在2.28～2.55 GHz和5.63～5.87 GHz 兩個頻段， 具有較好的輻射特性， 實現(xiàn)了小型化特性. 同時， 該天線由水平極化和垂直極化的兩個天線單元組成， 隔離度達到了30 dB以上， 具有一定的研究價值.

1 天線設(shè)計

本文設(shè)計的天線結(jié)構(gòu)如圖1所示， 它由兩個WiFi天線組成， 其中Ant_1是一個小型化的雙頻WiFi天線， 50 Ω的微帶饋線位于介質(zhì)基板的上表面， 開有“王”型的縫隙地位于基板的下表面， 天線的頻率諧振點主要受此縫隙的尺寸影響. Ant_2是一個小型的正方形單極天線， 通過在輻射貼片上開U型縫隙可以實現(xiàn)雙頻帶. 天線介質(zhì)基板的厚度為1.2 mm， 介電常數(shù)為4.4， 尺寸為24 mm × 36 mm.

圖 1 極化分集天線的結(jié)構(gòu)示意圖Fig.1 Schematic of the diversity antenna

2 天線的S參數(shù)分析

文中采用三維電磁仿真軟件HFSS分別對Ant_1和Ant_2進行了模擬仿真.

對于Ant_1， 其工作頻段主要受地面“王”型縫隙的尺寸所影響. 圖 2 和圖 3 分別給出了不同l2、 和l5時天線的S參數(shù)仿真結(jié)果， 可以看出這兩個參數(shù)只影響高頻段的諧振頻率fH.l2和l5的值越大，fH越小. 當(dāng)l2從14 mm增加到17 mm時，fH從5.9 GHz減小到了5.6 GHz；l5從8.6 mm增加到14.6 mm，fH從6.1 GHz減小到了5.4 GHz. 考慮到WiFi頻段的標(biāo)準(zhǔn)，l2和l5的值分別選15 mm和12.6 mm， 此時fH為5.8 GHz.

圖 2 不同l2值時天線的S參數(shù)Fig.2 The simulated S11 for different l2

圖 3 不同l5值時天線的S參數(shù)Fig.3 The simulated S11 for different l5

圖 4 和圖 5 分別給出了不同l7和w7時天線的S參數(shù)仿真結(jié)果. 可以看出，l7和w7主要影響低頻段的諧振頻率fL， 對高頻段fH幾乎沒有影響， 隨著l7和w7的增加， 低頻段fL逐漸減小. 經(jīng)過優(yōu)化，l7和w7的值分別選10 mm和1.5 mm， 此時fL為2.4 GHz.

圖 4 不同l7值時天線的S參數(shù)Fig.4 The simulated S11 for different l7

圖 5 不同w7值時天線的S參數(shù)Fig.5 The simulated S11 for different w7

對于Ant_2， 其工作頻段主要受輻射貼片上U型縫隙的尺寸所影響. 圖 6 和圖 7 分別給出了不同l9和w10時天線的S參數(shù)仿真結(jié)果. 可以看出，l9和w10都影響了高頻段的工作帶寬，w10主要影響低頻段的諧振頻率fL， 隨著w10的增加，fL逐漸減小， 當(dāng)w10=10 mm時，fL為2.4 GHz.

圖 6 不同l9值時天線的S參數(shù)Fig.6 The simulated S11 for different l9

圖 7 不同w10值時天線的S參數(shù)Fig.7 The simulated S11 for different w10

優(yōu)化后天線的具體尺寸如表 1 所示.

表 1 天線結(jié)構(gòu)參數(shù)

圖8是仿真和測量的S參數(shù)圖. 由圖 8 可見， Ant_1的工作帶寬為2.27～2.55 GHz 和5.63～5.87 GHz， Ant_2的工作帶寬為2.28～2.62 GHz 和4.6～5.9 GHz， 因此本文所設(shè)計的極化分集天線可以工作在2.28～2.55 GHz 和5.63～5.87 GHz兩個頻段. 實測曲線與仿真結(jié)果基本吻合， 工作頻帶可以覆蓋WiFi ( 2.4～2.484 GHz, 5.725～5.825 GHz )頻段. 圖 9 為天線的S12參數(shù)圖， 可以看出， 在工作頻段內(nèi)天線兩端口間的隔離度達到了30 dB以上， 符合設(shè)計要求.

圖 8 仿真和測量的S參數(shù)圖 Fig.8 The simulated and measured S-parameters

圖 9 測量和仿真的S12Fig.9 The simulated and measured S12

3 天線的輻射方向圖

圖 10 和圖 11 為天線的輻射方向圖.

圖 10 2.4 GHz處天線的輻射方向圖Fig.10 The radiation patterns at 2.4 GHz

圖 11 5.8 GHz處天線的輻射方向圖Fig.11 The radiation patterns at 5.8 GHz

由圖10， 圖 11 可見， 在兩個諧振點處天線的輻射特性基本相似， 方向性比較穩(wěn)定. 另外， Ant_1的E面和H面分別在y-z和x-y面， Ant_2的E面和H面則分別在y-z和x-z面， 在H面上Ant_2的最小輻射值點和Ant_1的最大輻射值點基本一致， 這樣就得到了兩個相互垂直正交的極化方式， 減小了天線單元間的影響， 提高了極化分集天線的隔離度.

4 結(jié) 論

本文設(shè)計了一個用于WiFi頻段的雙頻極化分集天線， 該天線由一個地面開有“王”型縫隙的水平極化天線(Ant_1)和一個輻射貼片開有U型縫隙的垂直極化天線(Ant_2)組成， 利用其電場的垂直正交特性， 可以提高分集天線兩個端口間的隔離度. 該天線尺寸為24 mm×36 mm， 實現(xiàn)了小型化. 測量與仿真結(jié)果顯示該天線能工作在2.28～2.55 GHz 和5.63～5.87 GHz兩個頻段內(nèi)， 具有較好的輻射特性， 兩端口間的隔離度達到了30 dB以上.

[1] Li Z Y, Du Z W, Gong K. A dual-slot diversity antenna withisolation enhancement using parasitic elements for mobile handsets[C]. Asia-Pacific Microwave Conference, 2010： 1821-1824.

[2] Najam A, Duroc Y, Tedjni S. UWB-MIMO Antenna with novel stub structure[C]. Progress in Electromagnetics Research C, 2011, 19： 245-257.

[3] Cheng Y, Lu W J, Cheng C H, et al. Compact diversity antenna with T shape stub for ultra-wideband applications[C]. Asia Pacific Microwave Conference, 2008： 1-4.

[4] 陳利鋒， 熊祥正. 新型寬頻帶多頻段WiFi天線的設(shè)計[J]. 現(xiàn)在電子技術(shù)， 2013, 36(7)： 86-88. Chen Lifeng, Xiong Xiangzheng. Design of novel wideband multi band WiFi Antenna[J]. Modern Electronics Technique, 2013, 36(7)： 86-88. (in Chinese)

[5] 鄭龍， 王光明， 胡帥江. 用于Wi-Fi頻段的新型雙頻天線設(shè)計[J]. 空軍工程大學(xué)學(xué)報， 2012, 13(6)： 86-88. Zheng Long, Wang Guangming, Hu Shuaijiang. Design of a novel dual-band Antenna for Wi-Fi bands[J]. Air Force Engineering University Journal, 2012, 13(6)： 86-88. (in Chinese)

[6] 崔勇， 王勇， 楊世武. 應(yīng)用于Wi-Fi頻段的背腔式縫隙天線設(shè)計[J]. 電波科學(xué)學(xué)報， 2016, 31(1)： 150-156. Cui Yong, Wang Yong, Yang Shiwu. Design of the cavity-backed slot Antenna for Wi-Fi band application[J]. Chinese Journal of radio science, 2016, 31(1)： 150-156. (in Chinese)

[7] Li Zengrui, Xie Dongyu, Zhang Hui. A micro-strip wide slot antenna with band notching property for ultra-wideband application[C]. International Conference on Microwave and Millimeter Wave Technology, 2010： 957-960.

[8] Dong Y D, Itoh T. Planar Ultra-Wideband Antennas in Ku- and K-Band for Pattern or Polarization Diversity Applications[J]. IEEE Transactions on Antennas and Propagation[J]. 2012, 60(6) ： 2886-2895.

[9] Anjali A. Chaudhari, Vidya Jadhav, Shilpa U. Kharche, Rajiv K. Gupta. Compact dual-band MIMO antenna with high isolation for 3/4G, Wi-Fi, bluetooth, Wi-MAX and WLAN applications[C]. Proceedings of Conference on Progress in Electromagnetic Research Symposium, 2016： 112-115.

[10] Amal K A, Sreekumari Amma, Subin Joseph. Compact dual band microstrip patch antenna for Wi-Fi and WiMAX applications[C]. International Conference on Control Communication & Computing India, 2015: 474-477.

[11] Jianling Chen, Kin-Fai Tong Allann Al-Armaghany, et al. A Dual-Band Dual-Polarization Slot Patch Antenna for GPS and Wi-Fi Applications[J]. IEEE Antennas and Wireless Propagation Letters, 2015, 15： 406-409.

Design and Research on Polarization Diversity Antennafor WiFi Bands

WANG Lihong， FENG Caixia

(School of Physics and Electronics Science, Shanxi Datong University, Datong 037009, China)

A polarization diversity antenna with high isolation for WiFi bands is designed in this paper. It comprises a horizontal polarization slot antenna and a Vertical polarization monopole antenna. The isolation between the two ports is improved due to the orthogonallity of E-field. The designed antenna has a small size of 24 mm×36 mm. The measured and simulated results show that it can atoperate 2.28～2.55 GHz and 5.63～5.87 GHz having wider radiation areas, in which the isolation is better than 30 dB.

high isolation; dual-frequency diversity antenna; miniaturization antenna

2016-11-20

山西省科技攻關(guān)資助項目(2015031002-1)； 山西大同大學(xué)2016年度青年科研基金資助項目(2016Q5)

王利紅(1986-)， 女， 助教， 碩士， 主要從事射頻與微波通信研究.

1671-7449(2017)04-0330-05

TN821+.3

A

10.3969/j.issn.1671-7449.2017.04.009