一種適用于GSM/WLAN/WiMAX應用的U型槽三頻天線

翟耀宗 謝旭東 蘇暢

（中移（杭州）信息技術有限公司）

0 引言

隨著各種衛星和無線通信技術的快速發展，尤其是移動通信和全球微波接入以及無線局域網的應用，推動了天線向著多頻段，小型化的方向發展，要求在有限的空間內實現應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整體模塊等優點，使得印刷偶極子、單極子和平面結構天線已被廣泛用于這些通信場合[1-3]。

微帶貼片天線是一種重量輕、與應用產品的拱形性高、制作成本低、制作工藝簡單的天線，與傳統天線相比具有很大的優勢。采用兩個殘缺的橢圓環的技術方案，在殘缺的橢圓環部分實現電磁耦合諧振，實現工作于無線局域網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現貼片天線的多重共振的多頻特性，多段縫隙槽可以用來設計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，設計出工作與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構，等效為加載電容，可降低天線的高度，結合單極子下部分的階梯結構，可實現在較小的尺寸空間下，實現了4.3 dB的增益[8]。引入枝節彎折技術，輻射貼片的2個枝節，以及地板包含1個枝節，并對枝節做彎折處理，可以實現我國5G通信的3個頻段，并且具有良好的輻射能力。采用L型開槽技術，在輻射貼片的四個角的合適位置進行L型縫隙的開槽，實現了8.98 dB的增益[9]。

本文提出一種新型的線極化多頻段天線。該矩形微帶側饋三頻段平面天線由2個嵌套U型槽結構組成，并且所設計的每個U型槽結構互相耦合相關性較低，可通過調節每個結構部分的參數，相對獨立的調整對應頻段的無線性能，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應用。

1 嵌套U型槽天線模型設計

圖1為所設計的多頻微帶天線的幾何形狀，采用側饋的方式，將輻射貼片制作在相對介電常數為4.4，厚度為1.6mm的FR4介質基片上。在矩形輻射貼片中，切割出由一對軸對稱、互相嵌套的U型槽，將貼片分割出多個諧振區域，通過調整兩個U型槽的間距、長度、寬度以及輻射貼片的尺寸，可以有效地產生三種不同的諧振頻率，以滿足三種不同的系統頻段要求。

圖1 天線結構圖

整個輻射貼片的尺寸，可以激發出中頻諧振，主要由Lp和Wp的尺寸決定。T1、L1、W1以及H1共同構成外層的U型槽結構，該結構主要產生高頻諧振，而對另外兩個頻段的性能不產生影響。T2、L2、W2以及H2共同構成內層的U型槽結構，該結構主要產生低頻諧振，同樣該結構不對另外兩個頻段產生影響。

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

以上述設計的天線結構尺寸對天線進行建模仿真，為了研究天線不同的結構尺寸對天線諧振點的影響，從而導致對不同頻段性能的影響，本文對天線關鍵部件不同的結構尺寸進行仿真，探討不同結構對天線綜合性能的影響。

如圖2a所示，W2長度的微小變化僅對低頻段的1.8GHz諧振點影響最大，對其余兩個中頻段和高頻段的諧振點幾乎無影響。從電流分布密度圖可知，因其內部U型槽的存在，截斷了輻射貼片內部的電流路徑，引起電流流動路徑的急劇變化，在內部U型槽的兩邊形成電磁耦合，激發了1.8GHz諧振。W2長度的變化，會對內層U型槽的電流路徑造成較大的變化，而對整個輻射貼片的尺寸，以及外部的U型槽幾乎不造成影響，因此最終的仿真結果顯示W2只影響低頻段。

如圖2b所示，2.4GHz的中頻性能調節可以通過改變LP的數值進行。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相關，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，或多或少會對輻射貼片中的兩個U型槽的電磁耦合產生影響。因此從仿真曲線可知，LP的數值主要調節的是中頻諧振參數，對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進行調整，而對低頻和中頻幾乎無影響。從電流密度分布圖可知，高頻的諧振區域主要集中在外層的U型槽與輻射貼片外邊緣間的兩個長臂和槽的中間部分。外層的U型槽將輻射貼片靠近外部的電流路徑給截斷，將電流限制在外層的一小部分中進行激勵諧振。從仿真圖中可知，L1數值的微小變化，將對高頻性能產生較大的影響，而對低頻和中頻兩個頻段不產生任何影響。

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，可以對包括輻射貼片的尺寸，以及兩個嵌套的U型槽的尺寸作對應的調整，從而可相對獨立地對三個頻段的輻射特性進行調整和優化，有利于天線的快速設計。

3 天線的結果優化與討論

在適當的邊界條件下，對天線模型進行仿真。通過優化介質層的厚度，尺寸，輻射貼片的尺寸，以及兩個U型槽的尺寸和位置，得到微帶天線應用所需的頻段。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應用所需的頻段寬度，并且天線的阻抗匹配也達到了設計要求，該仿真結果表明該天線具備一定的工程實用性。

為了觀察所設計的天線的輻射能力，設計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，輻射圖比較飽滿，且輻射能力較強。

4 結束語

本文提出一種多頻段微帶天線，利用兩個對稱嵌套的U型槽實現了天線的多頻段工作模式。通過調整兩個U型槽以及輻射貼片的尺寸，可以在工作頻段內，相對獨立地對天線的性能進行調優。本文提出的天線具有覆蓋GSM、WLAN和WiMAX應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。該天線具有結構緊湊、平面化、成本低、易于構造等優點，是一種適合多頻段應用的天線。