一種適用于GSM/WLAN/WiMAX應(yīng)用的U型槽三頻天線

翟耀宗 謝旭東 蘇暢

（中移（杭州）信息技術(shù)有限公司）

0 引言

隨著各種衛(wèi)星和無線通信技術(shù)的快速發(fā)展，尤其是移動(dòng)通信和全球微波接入以及無線局域網(wǎng)的應(yīng)用，推動(dòng)了天線向著多頻段，小型化的方向發(fā)展，要求在有限的空間內(nèi)實(shí)現(xiàn)應(yīng)用中所需的多頻段要求。微帶天線因其體積小，易于加工，易與有源器件和電路集成為一個(gè)整體模塊等優(yōu)點(diǎn)，使得印刷偶極子、單極子和平面結(jié)構(gòu)天線已被廣泛用于這些通信場(chǎng)合[1-3]。

微帶貼片天線是一種重量輕、與應(yīng)用產(chǎn)品的拱形性高、制作成本低、制作工藝簡(jiǎn)單的天線，與傳統(tǒng)天線相比具有很大的優(yōu)勢(shì)。采用兩個(gè)殘缺的橢圓環(huán)的技術(shù)方案，在殘缺的橢圓環(huán)部分實(shí)現(xiàn)電磁耦合諧振，實(shí)現(xiàn)工作于無線局域網(wǎng)和車用無線通信頻段的雙頻功能[4]。利用不同形狀的短截線和縫隙可以實(shí)現(xiàn)貼片天線的多重共振的多頻特性，多段縫隙槽可以用來設(shè)計(jì)具有雙波段和多波段特性的貼片天線[5-6]。通過在微帶貼片單極子天線上增加T型槽、切角、寄生單元等方式，設(shè)計(jì)出工作與S波段的單極子平面天線[7]。采用微帶線饋電方式，輻射體采用折疊金屬單極子結(jié)構(gòu)，等效為加載電容，可降低天線的高度，結(jié)合單極子下部分的階梯結(jié)構(gòu)，可實(shí)現(xiàn)在較小的尺寸空間下，實(shí)現(xiàn)了4.3 dB的增益[8]。引入枝節(jié)彎折技術(shù)，輻射貼片的2個(gè)枝節(jié)，以及地板包含1個(gè)枝節(jié)，并對(duì)枝節(jié)做彎折處理，可以實(shí)現(xiàn)我國5G通信的3個(gè)頻段，并且具有良好的輻射能力。采用L型開槽技術(shù)，在輻射貼片的四個(gè)角的合適位置進(jìn)行L型縫隙的開槽，實(shí)現(xiàn)了8.98 dB的增益[9]。

本文提出一種新型的線極化多頻段天線。該矩形微帶側(cè)饋三頻段平面天線由2個(gè)嵌套U型槽結(jié)構(gòu)組成，并且所設(shè)計(jì)的每個(gè)U型槽結(jié)構(gòu)互相耦合相關(guān)性較低，可通過調(diào)節(jié)每個(gè)結(jié)構(gòu)部分的參數(shù)，相對(duì)獨(dú)立的調(diào)整對(duì)應(yīng)頻段的無線性能，可涵蓋GSM頻段、WLAN頻段和WiMAX頻段。因此，所提出的多頻段平面天線適用于GPS、WiMAX、WLAN應(yīng)用。

1 嵌套U型槽天線模型設(shè)計(jì)

圖1為所設(shè)計(jì)的多頻微帶天線的幾何形狀，采用側(cè)饋的方式，將輻射貼片制作在相對(duì)介電常數(shù)為4.4，厚度為1.6mm的FR4介質(zhì)基片上。在矩形輻射貼片中，切割出由一對(duì)軸對(duì)稱、互相嵌套的U型槽，將貼片分割出多個(gè)諧振區(qū)域，通過調(diào)整兩個(gè)U型槽的間距、長(zhǎng)度、寬度以及輻射貼片的尺寸，可以有效地產(chǎn)生三種不同的諧振頻率，以滿足三種不同的系統(tǒng)頻段要求。

圖1 天線結(jié)構(gòu)圖

整個(gè)輻射貼片的尺寸，可以激發(fā)出中頻諧振，主要由Lp和Wp的尺寸決定。T1、L1、W1以及H1共同構(gòu)成外層的U型槽結(jié)構(gòu)，該結(jié)構(gòu)主要產(chǎn)生高頻諧振，而對(duì)另外兩個(gè)頻段的性能不產(chǎn)生影響。T2、L2、W2以及H2共同構(gòu)成內(nèi)層的U型槽結(jié)構(gòu)，該結(jié)構(gòu)主要產(chǎn)生低頻諧振，同樣該結(jié)構(gòu)不對(duì)另外兩個(gè)頻段產(chǎn)生影響。

該天線的尺寸如下：W=30,L=40,Lp=29.5，Wp=29，Wf=3，Lf=8，W1=23，L1=24.2，T1=0.5，H1=1，W2=8，L2=20.3，T2=1.5，H2=4.5。

2 嵌套U型槽天線工作原理

以上述設(shè)計(jì)的天線結(jié)構(gòu)尺寸對(duì)天線進(jìn)行建模仿真，為了研究天線不同的結(jié)構(gòu)尺寸對(duì)天線諧振點(diǎn)的影響，從而導(dǎo)致對(duì)不同頻段性能的影響，本文對(duì)天線關(guān)鍵部件不同的結(jié)構(gòu)尺寸進(jìn)行仿真，探討不同結(jié)構(gòu)對(duì)天線綜合性能的影響。

如圖2a所示，W2長(zhǎng)度的微小變化僅對(duì)低頻段的1.8GHz諧振點(diǎn)影響最大，對(duì)其余兩個(gè)中頻段和高頻段的諧振點(diǎn)幾乎無影響。從電流分布密度圖可知，因其內(nèi)部U型槽的存在，截?cái)嗔溯椛滟N片內(nèi)部的電流路徑，引起電流流動(dòng)路徑的急劇變化，在內(nèi)部U型槽的兩邊形成電磁耦合，激發(fā)了1.8GHz諧振。W2長(zhǎng)度的變化，會(huì)對(duì)內(nèi)層U型槽的電流路徑造成較大的變化，而對(duì)整個(gè)輻射貼片的尺寸，以及外部的U型槽幾乎不造成影響，因此最終的仿真結(jié)果顯示W(wǎng)2只影響低頻段。

如圖2b所示，2.4GHz的中頻性能調(diào)節(jié)可以通過改變LP的數(shù)值進(jìn)行。從電流密度分布圖可知，中頻諧振主要和輻射貼片的尺寸強(qiáng)相關(guān)，諧振部分主要集中在輻射貼片的上下部分，以及在輻射體的中心部分，因此輻射貼片尺寸的改變，或多或少會(huì)對(duì)輻射貼片中的兩個(gè)U型槽的電磁耦合產(chǎn)生影響。因此從仿真曲線可知，LP的數(shù)值主要調(diào)節(jié)的是中頻諧振參數(shù)，對(duì)低頻和高頻的影響較小。

如圖2c所示，3.5GHz的高頻特性可由L1進(jìn)行調(diào)整，而對(duì)低頻和中頻幾乎無影響。從電流密度分布圖可知，高頻的諧振區(qū)域主要集中在外層的U型槽與輻射貼片外邊緣間的兩個(gè)長(zhǎng)臂和槽的中間部分。外層的U型槽將輻射貼片靠近外部的電流路徑給截?cái)啵瑢㈦娏飨拗圃谕鈱拥囊恍〔糠种羞M(jìn)行激勵(lì)諧振。從仿真圖中可知，L1數(shù)值的微小變化，將對(duì)高頻性能產(chǎn)生較大的影響，而對(duì)低頻和中頻兩個(gè)頻段不產(chǎn)生任何影響。

圖2 天線工作原理及性能圖

從以上分析可知，本文所提出的天線，可以對(duì)包括輻射貼片的尺寸，以及兩個(gè)嵌套的U型槽的尺寸作對(duì)應(yīng)的調(diào)整，從而可相對(duì)獨(dú)立地對(duì)三個(gè)頻段的輻射特性進(jìn)行調(diào)整和優(yōu)化，有利于天線的快速設(shè)計(jì)。

3 天線的結(jié)果優(yōu)化與討論

在適當(dāng)?shù)倪吔鐥l件下，對(duì)天線模型進(jìn)行仿真。通過優(yōu)化介質(zhì)層的厚度，尺寸，輻射貼片的尺寸，以及兩個(gè)U型槽的尺寸和位置，得到微帶天線應(yīng)用所需的頻段。該天線最終的-10dB阻抗帶寬分別為130 MHz（1.76～1.89GHz）、240MHz（2.26～2.50GHz）和170MHz（3.41～3.58GHz），獲取到的這些頻段可以覆蓋GSM、WiMAX、WLAN應(yīng)用所需的頻段寬度，并且天線的阻抗匹配也達(dá)到了設(shè)計(jì)要求，該仿真結(jié)果表明該天線具備一定的工程實(shí)用性。

為了觀察所設(shè)計(jì)的天線的輻射能力，設(shè)計(jì)的天線顯示了較好的全向輻射性能，尤其是在輻射貼片一側(cè)，輻射圖比較飽滿，且輻射能力較強(qiáng)。

4 結(jié)束語

本文提出一種多頻段微帶天線，利用兩個(gè)對(duì)稱嵌套的U型槽實(shí)現(xiàn)了天線的多頻段工作模式。通過調(diào)整兩個(gè)U型槽以及輻射貼片的尺寸，可以在工作頻段內(nèi)，相對(duì)獨(dú)立地對(duì)天線的性能進(jìn)行調(diào)優(yōu)。本文提出的天線具有覆蓋GSM、WLAN和WiMAX應(yīng)用頻段的多頻段特性。且在期望的頻帶上具有較好的方向性和可接受的增益，顯示出良好的輻射性能。該天線具有結(jié)構(gòu)緊湊、平面化、成本低、易于構(gòu)造等優(yōu)點(diǎn)，是一種適合多頻段應(yīng)用的天線。