基于高频结构仿真器和神经网络的双面双频宽带偶极子天线设计

摘要：为了快速地设计一款应用于无线局域网络（WLAN）的双面结构的具有双频段、宽频带、小型化特性的偶极子天线，将偶极子贴片分别放置于介质基板的两侧，并采用微带巴伦线馈电的方式，以实现更好的宽带匹配。在偶极子的两臂分别开槽，实现小型双频特性，以满足WLAN的2.45GHz和5.49GHz的双频要求。整个天线的尺寸为28mm×44mm×1.6mm。并且利用电磁仿真软件高频结构仿真器（HFSS）和神经网络（NN）联合优化天线的尺寸，加快设计过程。仿真结果表明，当S11小于-10dB时，天线在低频和高频的带宽分别可以达到470MHz（2.29～2.76GHz）和3650MHz（4.96～8.61GHz）；当S11小于-14dB时，天线在低频和高频的带宽分别可以达到210MHz（2.36～2.57GHz）和770MHz（5.13～5.9GHz）。而且该天线的方向图具有良好的全向性，实物测量与仿真结果的一致性良好，可以满足WLAN的需要。

关键词：双面结构；神经网络；高频结构仿真器；双频；宽带；小型化

中图分类号：TN822文献标志码：A

引言

随着无线局域网络（Wireless Local Area Network， WLAN）通信系统的快速发展，天线作为系统中的关键部件，对它的要求也越来越高，具有多频化、小型化、宽带化、便于集成等特性的天线成为了研究热点。微带天线由于具有质量轻、体积小、易共形、便于安装等优点得到了广泛的研究和应用，但是微带天线最大的缺点是带宽窄[1]。因此使用微带天线时，需要采用某种措施来增加带宽。传统的拓宽带宽的方法包括增大介质板厚度、降低基板介电常数、增加寄生贴片、多层结构等，但这些方法或者会使天线体积增大，不利于小型化，易使天线结构复杂化。本文采用双面结构的印刷偶极子天线[1-2]，并且通过调节微带传输线和微带巴伦线的尺寸来实现双频带的宽带匹配，从而拓宽双频带的带宽。在实际中，WLAN需要满足IEEE 802.11b/g 和802.11a标准，因此应用于WLAN的天线需要覆盖2.45GHz（2412～2484MHz）和5.49GHz（5150～5825MHz）双频带，单馈点的微带天线实现双频的方式主要包括两种：第一种是通过在天线的结构上再另加一层贴片，两层贴片通常在不同的介质板上或者加入空气层，从而实现双频特性[3]；第二种是通过加载、开槽的方法来改变贴片各模的场分布，从而实现双频或者多频特性[4-8]。由于第一种方法会增大天线的体积，不利于天线的小型化，因此本文采用第二种方法，通过在偶极子的两臂上开槽来实现双频特性。应用于WLAN的印刷天线的设计很多，但这些天线或者不能实现小型化[5-7]，或者高频频带窄[6]，或者设计周期特别长等。针对以上问题，本文提出一种新型的双面结构的小型化双频宽带印刷偶极子天线，将偶极子贴片分别放置于介质基板的两个面，并采用微带巴伦线馈电的方式，通过调节微带传输线和微带巴伦线的尺寸以实现更好的宽带匹配。将偶极子的两臂分别开槽，实现小型双频特性。而且本文设计是基于高频结构仿真器（High Frequency Structure Simulator， HFSS）和神经网络（Neural Network， NN）联合优化确定天线关键尺寸的，能大大提高设计速度，并且可以很好地覆盖WLAN的频段，以满足实际要求。