摘 要

WI-FI天线作为无线路由器的发射与接收器件，在路由器系统中起着关键性作用。为解决现阶段室内环境下的WI-FI信号发射不稳定，功率低、覆盖面积小等缺陷本文对于线状的WI-FI天线做出了优化。

本文采用超材料特性天线，基于零阶谐振天线采用CST MICROWAVE STUDIO商用仿真软件优化设计出了一付双频段的阵列天线，其覆盖2.4 GHz和5.5 GHz频段。因为超材料特性天线的谐振频率取决于物理结构上天线的长度，其原理上只能产生一个频段，所以在设计时采用复合左右手传输线理论，通过在天线之间串并联电容的方式改变谐振频率。在本次设计中通过调节天线结构尺寸，得出左右手传输线中串联电容0.218 pF，并联电容忽略，且天线传输线为谐振频率的四分之一波长。结果得出：系统的工作频率为2.4 GHz和5.5 GHz，5.5 GHz时天线传输线为13 mm，2.4 GHz时天线传输线为34 mm。其增益分别为4.83 dBi和3.03 dBi,天线在辐射方向上为全向性。通过研究结果表明，对于超材料天线的阵列优化设计，实现对了天线的增益的提高，改善了天线发射效率，使天线具有了更好的全向性,更适用于无线WI-FI的应用。

关键词：WI-FI应用；线天线；路由器；超材料天线

Abstract

As the transmitter and receiver of wireless router, WI-FI antenna plays a key role in the router system. In order to improve the signal transmit power and gain of wireless router, to solve Indoor environment the deficiency of WI-FI at present, such as the instability of WI-FI signal emission, low power, small covering area , etc. This paper makes majorization for the optimized linear WI-FI antenna. Using high dielectric antenna, this thesis is according to the zero-order model and based on CST Microwave Studio commercial simulation software to optimize the design as well as meet the protocol application of WI-FI 802.11 n.

The design of super material antenna is derived from the model of zero-order, which can only produce a band in principle. So in the design of the composite right / left handed transmission line theory and the in between the antennas on shunt capacitance change the resonant frequency and in the design by adjusting the size of the antenna structure, and draw a series capacitor 0.218 pF and parallel capacitor ignored. The resonant frequency of super material antenna depends on the length of antenna in physical structure. The operating frequency of the system is 2.4 GHz and 5.5 GHz and the gain is 4.84 dBi and 3.03 dBi respectively.Researches show that the optimized design of super dielectric antenna improves the gain , emission efficiency and safety of antenna as well as meets the market demand by employing low-cost material.

Key words: WI-FIapplications;wire antennas;Router ;metamaterial-inspired antennas

目 录

摘 要 I

Abstract II

第1章 绪论 1

1.1 研究背景及意义 1

1.2 线状WI-FI天线国内外研究现状及发展趋势 1

1.3 无线路由器天线的优化 2

1.4 本文主要内容及章节工作 3

第2章 天线的理论分析和研究 4

2.1 天线的性能参数 4

2.1.1 方向性函数与方向图 4

2.1.2 天线的增益系数 4

2.1.3 极化特性 5

2.1.4 输入阻抗 5

2.2 超材料 5

2.2.1 超材料的含义 5

2.2.2 左右手传输线（CRLH TL）理论 6

2.3 WI-FI线状天线的设计分析 7

2.4 零阶谐振天线模型参数计算 8

2.5 双频段天线的选择 9

2.6 共面波导馈电 9

2.7 电磁仿真工具介绍 11

2.8 本章小结 12

第3章 线状WI-FI天线验证及组阵的设计 13

3.2 模型创建 13

3.2.1 软件工具介绍 13

3.2.2 模板选择 14

3.2.3 模型创建 14

3.2.3 共面波导端口设置 16

3.2.4 模型仿真 17

3.2.5 时域仿真分析 18

3.3 验证结果分析 19

3.4 天线组阵的设计 22

3.5 优化结果分析 23

3.6 本章小结 26

第4章 总结与展望 27

4.1 总结 27

4.2 展望 27

参考文献 28

致 谢 30

第1章 绪论

1.1 研究背景及意义

我国的WI-FI天线经历了从无到有、从简单到复杂的过程，其天线被优化设计的越来好，性能指数越来越高，但是在现实生活中，无线信号的传输仍存在着很大的很提，城市建筑物高大密集信号受阻挡而衰减，建筑全封闭式装修、地下建筑物等信号被屏蔽而衰减，加上高层建筑物的低层接受的信号较弱、存在盲区。随着经济的高速发展，个个城市基本上都开通了地铁、轻轨等交通工具，但是对于隧道内的无线传输始终是个不能很好解决的一个问题，对于这种封闭或者半封闭的情况下WI-FI性能总不能得到很好地提升，辐射效果差，导致覆盖面积低。地铁公司每年也都花费在高昂的费用用于隧道无线方面的发展。所以对于适应环境型的室内WI-FI天线来说，仍存在很多的问题有待解决，如WI-FI的覆盖面积小，路由器信号发射功率低，收发天线的辐射性能差，全向性也不好，而高性能的WI-FI天线成本高，不适用广大人群，因此设计出一款成本低，适用于广大用户，并且WI-FI覆盖效果好天线是很有必要的！而线天线的特点与其他天线相比，线天线：结构简单、方便制造成本低、适合于大批量生产、功率容量大 。而且通过线天线阵的方法又可以很好的提升增益和效率，所以设计出一款环境适应型室内的线状WI-FI天线以解决上诉问题成为了本次课题的目标。

1.2 线状WI-FI天线国内外研究现状及发展趋势

WI-FI技术已被认为是无线宽带发展的主要方向。WI-FI天线多饰多样，对它的研究从未停止过，有对它现有结构上进行优化设计的，也有新的天线被大胆创新，本文主要是对线状天线的设计优化 ，对面线天线的优化计算，国内外的学者们提出了新颖的设计和创新，2001年，中国的学者祝志鹏、蒋凤仙、陈雪峰提出了一种适用于具有任意几何参数的线天线阵方向图综合的新办法，这是传统遗传算法的一种改进，应用此方法以降低线天线阵的旁瓣辐射为优化目标，对线天线的方向图进行了优化设计并将所得结果和Chebyshev方法所得的结果进行了比较表明结果和Chebyshev方法取得结果相似^[1]。2007年，中国学者姚超军提出了互耦对小间距天线阵增益的影响，在文中他提出了最优方向性综合法和可以方便控制主旁瓣形状和效率的超方向性数值综合方法分析了不同方向图综合算法天线方向性、效率、和稳定性关系，并给出了一种具有较高效率的小间距阵列排布的确定方法。排布的阵列可以比同尺寸均匀排布阵列获得更高的方向性系数和效率^[2]，这对本次课题研究的线天线阵提供了一定的方向性和基础性。2009年，西班牙的学者A. And´ujar, J. Anguera, and C. Puente对L型的线天线的辐射方向图做了研究，采用几何的方式来计算研究L型线天线的辐射特性，通过改变它的长高比来计算并仿真验证，致力于得到一个全方向较好的天线比例，并运用于其他类似天线的研究^[3]。2013年，美国学者E. S. Pires , G. Fontgalland , M. A. B.Melo , R. R. M. Valle , and S. E. Barbin针对于WiFi802.11 n设计出了三种天线模型,第一种天线是双频段天线工作频率在2.4 GHz和5.5 GHz，其构思源于zero-order线超材料天线，并以此为模型构建的，所得到的增益分别是2dBi和4dBi。第二、三种天线一个是结构紧凑的折叠式单极天线和结构紧凑的折叠式偶极天线，通过仿真得出这两种天线的增益分别是0.5 dBi和2 dBi^[4]。这类天线结构简单具有很强可行性，值得去参考学习。2013年德国学者P. Vsetula、Z. Raida对于偶极天线阵列合成频率的增益和反射系数进行了进一步的研究，在文中，他们提出了两种方法，分别是有传输线和没有传输线的两种情况，通过比较最后证实在偶极天线阵列里没有传输线的形式所得到的增益反射系数效果更好^[21]。通过前人学者们对线天线及阵列的研究，为本次课题研究提供了很强的参考性，为了设计出一款环境适应型的WI-FI天线，本文计划采用双频段天线，其工作频段在2.4 GHz和5.0 GHz。双频段天线相比于单频段天线来说，它具有更高的无线传输速率，具有更强的抗干扰能力，无线信号更强，稳定性更高。通过对文献^[3]、文献^[4]学习，对文中提出的天线结构进行初步的设计然后进一步的优化，最后对两种天线结构进行比较，选择出更符合课题要求的天线结构以满足设计要求^[13]~[21]。

1.3 无线路由器天线的优化

路由器又名网关设备，是连接广域网或者局域网的一种设备，无线路由器则也是路由器的一种且具有无线覆盖功能，传统的无线路由器一般WI-FI信号发射不稳定，功率小、覆盖面积小，为了解决以上问题得到更好的WI-FI信号发射稳定，效率高，覆盖面积广的无线路由器，人们对路由器进行了多种改变:

工业方面：厂家对路由器的天线进行了数量上的改进，从最开始的单支天线的路由器发展了成为了多支天线的路由器。