[论文解读] 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 12

一句话总结

本文提出了一款紧凑的11×6.5 mm²平面单极子天线，采用T形和F形辐射元件，用于双频2.4/5.2/5.8 GHz WLAN通信。T形元件通过直接馈电激发5.2/5.8 GHz频段，而F形元件通过与T形元件的电磁耦合激发2.4 GHz频段，实现独立的频率调谐，并在2.4 GHz和5.2 GHz频段分别实现89%和87%的辐射效率，具有全向辐射特性。

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.

研究动机与目标

• 设计一款紧凑、高性能的双频2.4/5.2/5.8 GHz WLAN天线。
• 通过独立的辐射元件实现对2.4 GHz和5.2/5.8 GHz频段的独立频率调谐。
• 在保持良好阻抗匹配和辐射特性的同时，尽可能减小尺寸。
• 建立一种通用的设计方法，适用于其他频率的双频工作。

提出的方法

• 通过50 Ω微带线直接馈电T形辐射元件，以激发5.2/5.8 GHz频段。
• 通过电磁耦合将F形辐射元件与T形元件连接，以激发2.4 GHz频段。
• 对关键尺寸参数（如f3、g、f6）进行参数化研究，以独立调节低频和高频段。
• 基于导波波长（λg）和长度比（t2:t4、f2:f3:f6）推导出一种通用设计方法，以实现频率重配置。
• 使用Ansoft HFSS对天线进行仿真，评估回波损耗（S11）、辐射图和辐射效率。
• 设计保持对称性，并采用标准FR4基板，介电常数εr = 4.4。

实验结果

研究问题

• RQ1 能否设计出一款紧凑的平面双频天线，覆盖2.4 GHz和5.2/5.8 GHz WLAN频段？
• RQ2 能否利用T形元件和F形元件分别独立控制低频和高频段？
• RQ3 该天线能否在两个频段均实现良好的阻抗匹配和全向辐射模式？
• RQ4 能否建立一种通用设计方法，使天线可调谐至其他双频频率？
• RQ5 与现有单极子和PIFA结构相比，该设计是否实现了显著的尺寸缩小？

主要发现

• 天线尺寸仅为11×6.5 mm²，小于大多数现有的双频WLAN天线。
• 低频频段覆盖2.27–2.58 GHz（S11 < -10 dB），完全包含2.4 GHz WLAN频段。
• 高频频段覆盖4.92–5.49 GHz（S11 < -10 dB），覆盖5.2 GHz和5.8 GHz WLAN频段。
• 在2.4 GHz和5.2 GHz频段的辐射图均呈现全向特性，非常适合WLAN应用。
• 在2.4 GHz频段辐射效率达89%，在5.2 GHz频段达87%，表明性能优异。
• 参数化研究证实，f3用于调节高频段，而f6用于独立调节低频段，实现了灵活的设计调节。