一种水平极化平面印刷全向天线的设计
2008-06-17
作者：高红卫， 焦永昌， 张福顺
摘 要： 介绍了一种水平极化全向天线" title="全向天线">全向天线，先仿真设计" title="仿真设计">仿真设计再加工制作，最后实际测试。结果表明：在2.4GHz频段上，获得了120MHz的带宽(VSWR<3)和良好的全向方向图" title="方向图">方向图。该天线被印刷在一块面积只有24.3×24.3mm2的FR-4介质板上，结构简单紧凑，可用于无线局域网终端通信。
关键词： 水平极化 全向天线 2.4GHz频度 无线局域网终端
全向天线[1～4]在无线通信中发挥着重要的作用，常见的多是垂直极化天线，水平极化的不多，然而水平极化全向天线却有着独特的应用。在城市或者室内无线环境中，虽然基站发射的都是特定的极化信号，比如常见的垂直极化信号，但是很难直接传播到移动终端" title="移动终端">移动终端，一般要经过多径" title="多径">多径传播，即信号要经过反射或者绕射，或者反射加绕射，或者绕射加反射，才能到达移动终端。在经过多径传播后，极化要发生旋转，因此一般来说，多径信号到达移动终端时，既有水平极化信号，又有垂直极化信号。由于多径传播是随机的，因此这些信号也是随机的。可以考虑在移动终端安装一个水平极化天线和一个垂直极化天线，从而获得较好的接收信号。或者在发射端和接收端分别安装两个天线，一个水平极化天线和一个垂直极化天线，以得到两个不相关的信号，这就是极化分集，它正是利用了空中水平路径和垂直路径的不相关性来实现抗快衰落的。据研究[5～6],发射端和接收端都采用水平极化天线的系统比发射端和接收端都采用垂直极化天线的系统可以多获得平均10dB的功率。因此研究水平极化全向天线有着重要的现实意义。
本文设计了一种可用于2.4GHz频段移动终端的水平极化全向天线，属平面结构，被印刷在一块面积只有24.3×24.3mm2的常见电路板上(FR-4)。经仿真设计、加工制作和实际测试，获得了120MHz的带宽(VSWR＜3)和良好的全向方向图。
1分析与设计
为了实现水平极化辐射，可考虑采用环结构。在文献[7]中采用Alford环结构设计了一个工作在900MHz的平面印刷水平极化全向天线。本文采用此结构进行2.4GHz频段的设计。天线结构如图1所示。在方形介质基板(FR-4,εr＝4.4，为常见电路板)的两面分别印刷两层金属带，顶面是一个Z型金属带，底面也是一个相同的Z型金属带，但是注意，要让上下两个Z的四臂围成一个方环，且两个Z的斜臂要平行。馈电用50Ω SMA头进行背馈。
因为结构具有对称性，所以上下两个Z型金属带上的电流分布幅度相同，相位相差180°，如图2所示。由于上下两个金属带之间的距离(亦即介质基板的厚度)比较小，则上下两个Z斜臂上的电流就相互抵消，而在上下两个Z的其它四个臂上建立起环形电流分布，从而辐射一个水平极化波，得到预期的全向方向图。
该天线两个金属带各臂的长度和宽度要精心设计，从而达到较好的辐射和阻抗匹配。本文采用Ansoft公司的三维电磁仿真软件HFSS9.2经过多次反复设计得到的尺寸如下：t=2mm，L1=22.3mm，L2=8.5mm,W1=5mm,W2=1.5mm。
2 制作与测量
根据上面仿真设计的尺寸，制作了该天线。采用矢量网络分析仪Wiltron-37269A测量了该天线输入端的电压驻波比，并与仿真结果做了比较，如图3所示。在半开放远场测量暗室,对天线工作在2.45GHz时的方向图进行了测量，也与仿真结果做了比较，结果如图4、图5所示。
由图3～5可以看到：在2.45GHz频段上，该天线获得了120MHz的带宽(VSWR＜3)和良好的全向方向图，且整体上都与仿真结果基本吻合。
本文基于电流环思想设计了一种水平极化平面印刷全向天线。利用HFSS进行了仿真设计，并加工制作了该天线，测试结果表明：在2.4GHz频段，该天线获得了120MHz的带宽(VSWR＜3)、良好的E面方向图和H面方向图(全向方向图。)该天线可用于2.4GHz无线局域网终端通信。
下一步的工作是如何将电压驻波比降到3以下，且带宽满足ISM2.4GHz频段的要求(2400MHz～2483.5MHz)。
参考文献
1 Baumer C, Landstorfer F.Design of omnidirectional slot antennas with vertical polarization[C]. IEEE Trans on Ant-ennas and Propagation Symp,1990;(2):938～941
2 Taylor R M. A broadband omnidirectional antenna[C]. IEEE Trans on Antennas and Propagation Symp, 1994;(2):1294～1297
3 Hsiao F R, Wong K L.Omnidirectional planar folded dipole antenna[J]. IEEE Trans on Antennas and Propagation,2004;52(7):1898～1902
4 Bancroft R, Bateman B. An omnidirectional planar microstrip antenna[J]. IEEE Trans on Antennas and Propagation,2004;52(11):3151～3154
5 Dmitry C, Jonathan L, Reinaldo A V. The effect of electric field polarization on indoor propagation. In: IEEE ICUF′C, Florence Italy, 1998
6 Soras C, Karahoiks M, Tsachtsiris G, Makos V. Analysis and design of an inverted-F antenna printed on a PCMCIA card for the 2.4GHz ISM band[J]. In:IEEE Trans on Antennas and Propagation, 2002;44(1):37～44
7 Chuang H R. Omni-directional horizontally polarized alford loop strip antenna. US patent 5,767,809, June 1998