应用于便携设备的新型多频微带缝隙天线

陈文峰， 肖中银， 相亮亮， 马德臣

(上海大学通信与信息工程学院，上海200072)

随着通信技术的飞速发展，在便携设备中融入无线通信功能已经成为基本要求，同时无线通信设备的终端越来越向小型化、多功能化等方向发展.因此，对无线信号的发射天线设计提出了更多具有挑战性的要求［1］，这些要求包括小型化、多频带、低成本、适应便携设备结构环境等.

过去便携设备常常采用非金属材料(主要是工程塑料)作为外壳，这种情况下采用的内置天线形式常常是平面倒F天线.平面倒F天线容易设计，制作简单，成本低廉，比吸收率低(比吸收率，指单位时间内单位质量的物质吸收的电磁辐射能量，是衡量电磁辐射对人体影响的一个指标，比吸收率越小越好)，因此得到了广泛应用.随着工业设计的发展和生产工艺的进步，在便携设备上使用金属外壳越来越普遍.由于金属近似于理想导体，对便携设备内部电磁场有屏蔽作用.如果继续使用平面倒F天线，为了避免金属外壳的屏蔽作用，就不得不在金属外壳上开较大的口以便天线辐射片能将电磁波辐射出去，而这将会导致制造成本的上升和结构强度的下降.基于上述原因，平面倒F天线将不再适合作为金属外壳便携型设备的内置天线.

一种较好的解决方案是使用微带缝隙天线.微带缝隙天线在金属底板上开槽，利用槽的形状达到弯曲电流的目的，沿缝隙的电流在槽内产生电磁场并向外辐射，其馈电方式可以是微带线馈电，或者是用同轴电缆两端直接垮馈在缝隙的两端来馈电.文献［2-3］研究了矩形槽、L形槽、T形单极子槽微带缝隙天线的辐射特性.文献［4］研究了使用多节匹配馈线激励阶梯型单极子槽天线的辐射特性，分析了电流路径长度与谐振波长之间的对应关系.文献［5］研究了单馈线激励多个单极子槽的辐射天线.文献［6-7］中的天线馈线使用了功率分配器和宽带巴伦原理，实现了多频带和扩展带宽的目的.

本研究提出了一种新颖的微带缝隙天线，它使用改进的微带线馈电，通过在便携设备的金属外壳上直接开T形单极子槽，达到共形和多频的目的;分析了T形单极子槽在馈电影响下的谐振点特性，并且利用相位延迟技术改进了微带馈线，进一步提高了天线的带宽;最后，仿真调试了一个应用于WiFi和GPS的三频天线，加工制作了实际天线并进行了测试，测试结果和仿真结果较为吻合，并分析了误差的原因.

1 天线结构

天线的基本结构是在一块面积为25 mm× 50 mm，介电常数为2.55，厚度为0.8 mm的介质板底层的金属层上直接开倒T形单极子槽，倒T形槽的垂直部分开口不封闭形成单极子槽，如图1(a)所示.金属层是便携设备金属外壳的一部分，而便携设备外壳大小为150 mm×250 mm，如图1(b)所示.在介质板的上方使用改进的微带馈线对槽进行馈电，微带馈线的2个分支都相隔一定距离，横跨倒T形单极子槽水平部分的一端.这样的设计虽然使整个天线的面积较大，但是该天线是使用在金属外壳便携设备上的，整个金属外壳都可以作为槽的载体，而槽相对金属外壳面积很小，这样使槽易于加工制造，也不会因大面积开口而造成制造和强度问题.

倒T形槽的好处在于槽形状比较简单，但是倒T形槽的谐振特性比较复杂，水平槽的左右部分之间会形成多个谐振点.这一方面加大了参数调试的难度，另一方面如果善加利用多谐振点的特性，则可以有效增大天线的带宽.

为了获得更大的带宽，介质板没有采用介电常数较大的FR4，而是采用厚度为0.8 mm，介电常数为2.55的Taconic TLX-8.在介质板底部厚为0.2 mm的金属层上开一不对称的倒T形槽，如图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.天线的微带馈线位于介质板的顶部，微带馈线由SMA接头馈电，接头的内芯与微带馈线焊接，外壁则与底部金属层连接.微带馈线的宽度为介电常数2.55且厚度为0.8 mm的介质板上的50 Ω馈线宽度，经计算为2.26 mm.微带馈线成Z形，横跨倒T形槽的水平部分，横跨的部分一分为二，相隔一定距离跨过水平槽，形成2条有一定相位延迟分支的馈线，相位延迟量由2条馈线相隔的距离来调节.

图1 天线结构图Fig.1 Structure of the antenna

单极子天线谐振频率点由其槽的形状、长度和馈线的位置来决定，以上三者限制了金属层上电流的分布，当电流沿槽流动时，其在远场的积分形成了天线辐射.谐振频率的估算［8］可以由下式得到：

式中，fr为谐振频率，α为修正参数，c为真空中光速，lp为电流路径长度，εr为介质板的相对介电常数.不同的电流路径有不同的修正参数，决定了不同的谐振频率.通过调整各参数，可得到一个三频天线，覆盖GPS频段和WiFi 802.11a/b/g/n频段.

2 仿真测试结果和讨论

倒T形单极子槽对于谐振频率点的影响比较复杂，沿倒T形单极子槽非闭合开口到水平槽或者馈线形成了多条电流路径，这些电流路径的长度决定了多个谐振频率点.通过使用商业电磁仿真软件CST2009对wf，w1，w2等参数的扫描可以发现，各条电路路径长度与各谐振频率的对应关系如下式所示：

式中，λ1，λ2和λ3分别为谐振频率点对应的波长，其中λ1为GPS频段即1.575 GHz所对应的波长，λ2为WiFi 802.11b/g即2.4 GHz频段对应的波长，λ3为WiFi 802.11a/n频段即5 GHz频段对应的波长，各频率点随参数wf，w1，w2变化的情况如图2所示.由图2可见，倒T形槽各参数的变化对所有频率点都有影响，但是各参数对于各频率点影响的强弱是不同的.在调节参数得到有用频段的过程中，选择起主要影响的参数作主要调节，选择起次要作用的参数作辅助调节.在倒T形槽中沿电流路径流动的电流和槽中的反射波都会对谐振频率点产生影响.从图2(a)中可以看出，wf的变化对于1.575 GHz频段影响很小，而对于2.4 GHz和5 GHz频段都有很大影响.这是因为馈线位置对于槽中反射波有比较巨大的影响，而1.575 GHz是由馈线激励水平槽产生，水平槽的长度约等于1.575 GHz波长的一半，水平槽长度不变，GPS频段的位置就基本不变，只有S11幅度上的变化.从图2(b)中可以看出，沿a→b→c这条电流路径上，w2对于2.4 GHz频段的影响远大于5 GHz频段，调节w2可以调节2.4 GHz频段的位置，而w2对于5 GHz频段的影响可以通过调节w1加以改善.从图2(c)中可以看出，沿d→e→f这条电流路径上，w1对于5 GHz的影响远大于2.4 GHz频段，通过调节w1可以对5 GHz频段进行调节，而w1对2.4 GHz的影响可以通过调节w2加以改善.调节w1和w2可能会造成S11参数的恶化，这可以通过调节左右水平槽的高度hl和hr来改善.

图2 参数w1，w2，wf不同时，天线S11的频率变化曲线Fig.2 S11against frequency for various w1，w2and wf

为了增大带宽，使用了带有相位延迟的双分支馈线形式：馈线从SMA接口延伸到水平槽处一分为二，相隔一段距离分别横跨水平槽，跨过水平槽之后又合二为一.这样设计的好处是馈线相当于一个功率分配器分出了2个具有一定相位差的激励信号，这2个信号分别激励单极子槽形成多个谐振点，这些谐振频率点距离很近，它们的简并效果可以有效增大天线的带宽.使用单一馈线和使用相位延迟双分支馈线对于S11的影响如图3所示.结果表明，使用相位延迟双分支馈线，可以明显拉低天线的S11参数，进而增大带宽.

图3 使用单一馈线和相位延迟双分支馈线时S11的情况Fig.3 Effects of single feed line and phase-delay feed line on S11

图4 天线S11的仿真结果和实测结果Fig.4 Simulation result and experimental result of the proposed antenna

图5 天线在3个频率点的归一化方向图Fig.5 Normalized radiation patterns at 1.575，2.4 and 5.2 GHz

按照以上设计步骤，设计并加工了天线，天线S11的仿真结果和实测结果如图4所示.图5为天线在3个频段中心频率处的归一化方向图，其坐标轴的方向如图1(b)所示.测试结果表明，若以天线S11参数小于－10 dB的频带宽度为天线的带宽，天线在GPS频段有60 MHz的带宽(1.54～1.60 GHz)，在2.4 GHz频段有550 MHz的带宽(2.11～2.66 GHz)，而在5 GHz频段有680 MHz的带宽(5.17～5.85 GHz)，达到了设计要求，与仿真结果较为吻合.仿真结果和测试结果之间的误差一部分是由制造误差和同轴馈线的线上损耗所引起的，另外一部分则是由介质板介电常数的不均匀性所引起的.从图4可以看出，GPS频段由于频率较低，对应的波长较长，而由制造的误差和由介电常数不均匀性引起的误差相对很小，所以GPS频段的仿真和实测结果非常吻合;而高频频段对应波长较小，对于制造误差和介电常数数值更加敏感，2.4和5.2 GHz频段的实测结果都比仿真结果要左移，这表明其实际对应的波长要长，根据式(1)，介质板的介电常数比其标注的要稍大.

由图5可见，GPS频段由馈线激励水平槽产生，所以其最大方向在xy面的水平方向;而WiFi应用的2个频段都是馈线激励垂直槽产生的，所以其最大方向都在xy面的垂直方向.在3个谐振频率点处，垂直于介质板的方向也就是xz面或者yz面上得到的最大增益可以达到1.84/2/3.84 dB，带宽覆盖了GPS和WiFi频段，增益基本可用.

3 结束语

本研究在倒T形单极子槽谐振特性的基础上，通过调整倒T形槽左右水平槽的高度和长度以及馈线的位置实现了一个覆盖GPS频段和802.11a/b/ g/n频段的三频天线，并对馈线进行了改进，使用相位延迟双分支馈技术提高了天线的带宽，获得了良好的效果.该天线开槽方式和馈电方式简单，可以广泛应用于金属外壳的便携设备中，对于如何解决金属外壳与内置天线的矛盾有一定的借鉴意义.

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