應用于便攜設備的新型多頻微帶縫隙天線

陳文峰， 肖中銀， 相亮亮， 馬德臣

(上海大學通信與信息工程學院，上海200072)

隨著通信技術的飛速發展，在便攜設備中融入無線通信功能已經成為基本要求，同時無線通信設備的終端越來越向小型化、多功能化等方向發展.因此，對無線信號的發射天線設計提出了更多具有挑戰性的要求［1］，這些要求包括小型化、多頻帶、低成本、適應便攜設備結構環境等.

過去便攜設備常常采用非金屬材料(主要是工程塑料)作為外殼，這種情況下采用的內置天線形式常常是平面倒F天線.平面倒F天線容易設計，制作簡單，成本低廉，比吸收率低(比吸收率，指單位時間內單位質量的物質吸收的電磁輻射能量，是衡量電磁輻射對人體影響的一個指標，比吸收率越小越好)，因此得到了廣泛應用.隨著工業設計的發展和生產工藝的進步，在便攜設備上使用金屬外殼越來越普遍.由于金屬近似于理想導體，對便攜設備內部電磁場有屏蔽作用.如果繼續使用平面倒F天線，為了避免金屬外殼的屏蔽作用，就不得不在金屬外殼上開較大的口以便天線輻射片能將電磁波輻射出去，而這將會導致制造成本的上升和結構強度的下降.基于上述原因，平面倒F天線將不再適合作為金屬外殼便攜型設備的內置天線.

一種較好的解決方案是使用微帶縫隙天線.微帶縫隙天線在金屬底板上開槽，利用槽的形狀達到彎曲電流的目的，沿縫隙的電流在槽內產生電磁場并向外輻射，其饋電方式可以是微帶線饋電，或者是用同軸電纜兩端直接垮饋在縫隙的兩端來饋電.文獻［2-3］研究了矩形槽、L形槽、T形單極子槽微帶縫隙天線的輻射特性.文獻［4］研究了使用多節匹配饋線激勵階梯型單極子槽天線的輻射特性，分析了電流路徑長度與諧振波長之間的對應關系.文獻［5］研究了單饋線激勵多個單極子槽的輻射天線.文獻［6-7］中的天線饋線使用了功率分配器和寬帶巴倫原理，實現了多頻帶和擴展帶寬的目的.

本研究提出了一種新穎的微帶縫隙天線，它使用改進的微帶線饋電，通過在便攜設備的金屬外殼上直接開T形單極子槽，達到共形和多頻的目的;分析了T形單極子槽在饋電影響下的諧振點特性，并且利用相位延遲技術改進了微帶饋線，進一步提高了天線的帶寬;最后，仿真調試了一個應用于WiFi和GPS的三頻天線，加工制作了實際天線并進行了測試，測試結果和仿真結果較為吻合，并分析了誤差的原因.

1 天線結構

天線的基本結構是在一塊面積為25 mm× 50 mm，介電常數為2.55，厚度為0.8 mm的介質板底層的金屬層上直接開倒T形單極子槽，倒T形槽的垂直部分開口不封閉形成單極子槽，如圖1(a)所示.金屬層是便攜設備金屬外殼的一部分，而便攜設備外殼大小為150 mm×250 mm，如圖1(b)所示.在介質板的上方使用改進的微帶饋線對槽進行饋電，微帶饋線的2個分支都相隔一定距離，橫跨倒T形單極子槽水平部分的一端.這樣的設計雖然使整個天線的面積較大，但是該天線是使用在金屬外殼便攜設備上的，整個金屬外殼都可以作為槽的載體，而槽相對金屬外殼面積很小，這樣使槽易于加工制造，也不會因大面積開口而造成制造和強度問題.

倒T形槽的好處在于槽形狀比較簡單，但是倒T形槽的諧振特性比較復雜，水平槽的左右部分之間會形成多個諧振點.這一方面加大了參數調試的難度，另一方面如果善加利用多諧振點的特性，則可以有效增大天線的帶寬.

為了獲得更大的帶寬，介質板沒有采用介電常數較大的FR4，而是采用厚度為0.8 mm，介電常數為2.55的Taconic TLX-8.在介質板底部厚為0.2 mm的金屬層上開一不對稱的倒T形槽，如圖1所示，其中w1=10 mm，w2=20 mm，h1=6.3 mm，h2=7.8 mm，w=34.5 mm，wf=8.5 mm，hl=5.5 mm，hr=4 mm.天線的微帶饋線位于介質板的頂部，微帶饋線由SMA接頭饋電，接頭的內芯與微帶饋線焊接，外壁則與底部金屬層連接.微帶饋線的寬度為介電常數2.55且厚度為0.8 mm的介質板上的50 Ω饋線寬度，經計算為2.26 mm.微帶饋線成Z形，橫跨倒T形槽的水平部分，橫跨的部分一分為二，相隔一定距離跨過水平槽，形成2條有一定相位延遲分支的饋線，相位延遲量由2條饋線相隔的距離來調節.

圖1 天線結構圖Fig.1 Structure of the antenna

單極子天線諧振頻率點由其槽的形狀、長度和饋線的位置來決定，以上三者限制了金屬層上電流的分布，當電流沿槽流動時，其在遠場的積分形成了天線輻射.諧振頻率的估算［8］可以由下式得到：

式中，fr為諧振頻率，α為修正參數，c為真空中光速，lp為電流路徑長度，εr為介質板的相對介電常數.不同的電流路徑有不同的修正參數，決定了不同的諧振頻率.通過調整各參數，可得到一個三頻天線，覆蓋GPS頻段和WiFi 802.11a/b/g/n頻段.

2 仿真測試結果和討論

倒T形單極子槽對于諧振頻率點的影響比較復雜，沿倒T形單極子槽非閉合開口到水平槽或者饋線形成了多條電流路徑，這些電流路徑的長度決定了多個諧振頻率點.通過使用商業電磁仿真軟件CST2009對wf，w1，w2等參數的掃描可以發現，各條電路路徑長度與各諧振頻率的對應關系如下式所示：

式中，λ1，λ2和λ3分別為諧振頻率點對應的波長，其中λ1為GPS頻段即1.575 GHz所對應的波長，λ2為WiFi 802.11b/g即2.4 GHz頻段對應的波長，λ3為WiFi 802.11a/n頻段即5 GHz頻段對應的波長，各頻率點隨參數wf，w1，w2變化的情況如圖2所示.由圖2可見，倒T形槽各參數的變化對所有頻率點都有影響，但是各參數對于各頻率點影響的強弱是不同的.在調節參數得到有用頻段的過程中，選擇起主要影響的參數作主要調節，選擇起次要作用的參數作輔助調節.在倒T形槽中沿電流路徑流動的電流和槽中的反射波都會對諧振頻率點產生影響.從圖2(a)中可以看出，wf的變化對于1.575 GHz頻段影響很小，而對于2.4 GHz和5 GHz頻段都有很大影響.這是因為饋線位置對于槽中反射波有比較巨大的影響，而1.575 GHz是由饋線激勵水平槽產生，水平槽的長度約等于1.575 GHz波長的一半，水平槽長度不變，GPS頻段的位置就基本不變，只有S11幅度上的變化.從圖2(b)中可以看出，沿a→b→c這條電流路徑上，w2對于2.4 GHz頻段的影響遠大于5 GHz頻段，調節w2可以調節2.4 GHz頻段的位置，而w2對于5 GHz頻段的影響可以通過調節w1加以改善.從圖2(c)中可以看出，沿d→e→f這條電流路徑上，w1對于5 GHz的影響遠大于2.4 GHz頻段，通過調節w1可以對5 GHz頻段進行調節，而w1對2.4 GHz的影響可以通過調節w2加以改善.調節w1和w2可能會造成S11參數的惡化，這可以通過調節左右水平槽的高度hl和hr來改善.

圖2 參數w1，w2，wf不同時，天線S11的頻率變化曲線Fig.2 S11against frequency for various w1，w2and wf

為了增大帶寬，使用了帶有相位延遲的雙分支饋線形式：饋線從SMA接口延伸到水平槽處一分為二，相隔一段距離分別橫跨水平槽，跨過水平槽之后又合二為一.這樣設計的好處是饋線相當于一個功率分配器分出了2個具有一定相位差的激勵信號，這2個信號分別激勵單極子槽形成多個諧振點，這些諧振頻率點距離很近，它們的簡并效果可以有效增大天線的帶寬.使用單一饋線和使用相位延遲雙分支饋線對于S11的影響如圖3所示.結果表明，使用相位延遲雙分支饋線，可以明顯拉低天線的S11參數，進而增大帶寬.

圖3 使用單一饋線和相位延遲雙分支饋線時S11的情況Fig.3 Effects of single feed line and phase-delay feed line on S11

圖4 天線S11的仿真結果和實測結果Fig.4 Simulation result and experimental result of the proposed antenna

圖5 天線在3個頻率點的歸一化方向圖Fig.5 Normalized radiation patterns at 1.575，2.4 and 5.2 GHz

按照以上設計步驟，設計并加工了天線，天線S11的仿真結果和實測結果如圖4所示.圖5為天線在3個頻段中心頻率處的歸一化方向圖，其坐標軸的方向如圖1(b)所示.測試結果表明，若以天線S11參數小于－10 dB的頻帶寬度為天線的帶寬，天線在GPS頻段有60 MHz的帶寬(1.54～1.60 GHz)，在2.4 GHz頻段有550 MHz的帶寬(2.11～2.66 GHz)，而在5 GHz頻段有680 MHz的帶寬(5.17～5.85 GHz)，達到了設計要求，與仿真結果較為吻合.仿真結果和測試結果之間的誤差一部分是由制造誤差和同軸饋線的線上損耗所引起的，另外一部分則是由介質板介電常數的不均勻性所引起的.從圖4可以看出，GPS頻段由于頻率較低，對應的波長較長，而由制造的誤差和由介電常數不均勻性引起的誤差相對很小，所以GPS頻段的仿真和實測結果非常吻合;而高頻頻段對應波長較小，對于制造誤差和介電常數數值更加敏感，2.4和5.2 GHz頻段的實測結果都比仿真結果要左移，這表明其實際對應的波長要長，根據式(1)，介質板的介電常數比其標注的要稍大.

由圖5可見，GPS頻段由饋線激勵水平槽產生，所以其最大方向在xy面的水平方向;而WiFi應用的2個頻段都是饋線激勵垂直槽產生的，所以其最大方向都在xy面的垂直方向.在3個諧振頻率點處，垂直于介質板的方向也就是xz面或者yz面上得到的最大增益可以達到1.84/2/3.84 dB，帶寬覆蓋了GPS和WiFi頻段，增益基本可用.

3 結束語

本研究在倒T形單極子槽諧振特性的基礎上，通過調整倒T形槽左右水平槽的高度和長度以及饋線的位置實現了一個覆蓋GPS頻段和802.11a/b/ g/n頻段的三頻天線，并對饋線進行了改進，使用相位延遲雙分支饋技術提高了天線的帶寬，獲得了良好的效果.該天線開槽方式和饋電方式簡單，可以廣泛應用于金屬外殼的便攜設備中，對于如何解決金屬外殼與內置天線的矛盾有一定的借鑒意義.

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