[論文レビュー] A Novel Compact Dual-Band Antenna Design for WLAN Applications

Peshal Nayak, Ramu Endluri+2 more|arXiv (Cornell University)|May 12, 2021

Antenna Design and Analysis参考文献 28被引用数 12

ひとこと要約

本稿では、2.4/5.2/5.8 GHz WLAN運用を想定した、11×6.5 mm²のコンactな平面モノポールアンテナを提案する。T字形とF字形の放射エレメントを用い、Tエレメントが直接給電により5.2/5.8 GHz帯を励振し、FエレメントがTエレメントに結合して2.4 GHz帯を励振する。これにより、周波数の独立した調整と、2.4 GHzと5.2 GHzでそれぞれ89%および87%の放射効率を達成し、オムニディレクショナル放射特性を実現する。

ABSTRACT

A novel and compact dual band planar antenna for 2.4/5.2/5.8-GHz wireless local area network(WLAN) applications is proposed and studied in this paper. The antenna comprises of a T-shaped and a F-shaped element to generate two resonant modes for dual band operation. The two elements can independently control the operating frequencies of the two excited resonant modes. The T-element which is fed directly by a 50 $Ω$ microstrip line generates a frequency band at around 5.2 GHz and the antenna parameters can be adjusted to generate a frequency band at 5.8 GHz as well, thus covering the two higher bands of WLAN systems individually. By couple-feeding the F-element through the T-element, a frequency band can be generated at 2.4 GHz to cover the lower band of WLAN system. Hence, the two elements together are very compact with a total area of only 11$ imes$6.5 mm$^{2}$. A thorough parametric study of key dimensions in the design has been performed and the results obtained have been used to present a generalized design approach. Plots of the return loss and radiation pattern have been given and discussed in detail to show that the design is a very promising candidate for WLAN applications.

研究の動機と目的

• 2.4/5.2/5.8 GHz WLAN応用を想定したコンactで高性能な2バンドアンテナの設計。
• 別個の放射エレメントを用いて、2.4 GHz帯と5.2/5.8 GHz帯の周波数を独立して調整すること。
• サイズを最小限に抑えつつ、良好なインピーダンス整合性と放射特性を維持すること。
• 他の周波数帯でも2バンド動作を実現する一般化された設計手法の開発。

提案手法

• T字形放射エレメントを50 Ωのマイクロストリップラインで直接給電し、5.2/5.8 GHz帯を励振する。
• F字形放射エレメントをTエレメントに結合させ、電磁結合により2.4 GHz帯を励振する。
• 主な寸法（例：f3、g、f6）のパラメトリックスタディを実施し、低域および高域の周波数帯を独立して調整する。
• ガイド波長（λg）および長さ比（t2:t4、f2:f3:f6）に基づいた一般化された設計アプローチを導出し、周波数再設定を可能にする。
• アンテナのシミュレーションにはAnsoft HFSSを用い、帰還損失（S11）、放射パターン、放射効率を評価する。
• 対称性を維持し、誘電率εr = 4.4の標準FR4基板を用いる。

実験結果

リサーチクエスチョン

• RQ1 2.4 GHzおよび5.2/5.8 GHz WLAN帯をカバーするコンactな平面2バンドアンテナを設計可能か？
• RQ2 TエレメントとFエレメントを用いて、低域および高域の周波数帯を独立して制御可能か？
• RQ3 両帯域で良好なインピーダンス整合性とオムニディレクショナル放射パターンを達成可能か？
• RQ4 他の2バンド周波数帯に適合可能な一般化された設計手法を確立可能か？
• RQ5 提案構造は、従来のモノポールおよびPIFAベースの設計と比較して顕著なサイズ削減を達成するか？

主な発見

• アンテナはわずか11×6.5 mm²のコンactなサイズであり、多数の既存の2バンドWLANアンテナよりも小さい。
• 低域帯は2.27–2.58 GHz（S11 < -10 dB）をカバーし、2.4 GHz WLAN帯を完全に含む。
• 高域帯は4.92–5.49 GHz（S11 < -10 dB）をカバーし、5.2 GHzおよび5.8 GHz WLAN帯の両方をカバーする。
• 2.4 GHzおよび5.2 GHzにおける放射パターンはオムニディレクショナル特性を示し、WLAN応用に最適である。
• 放射効率は2.4 GHzで89%、5.2 GHzで87%に達し、高い性能を示す。
• パラメトリックスタディにより、f3が高域帯を調整し、f6が低域帯を独立して調整できることを確認し、柔軟な設計が可能である。