一种适用于GSM/WLAN/WiMAX应用的U型槽三频天线

翟耀宗 谢旭东 苏畅

（中移（杭州）信息技术有限公司）

0 引言

随着各种卫星和无线通信技术的快速发展，尤其是移动通信和全球微波接入以及无线局域网的应用，推动了天线向着多频段，小型化的方向发展，要求在有限的空间内实现应用中所需的多频段要求。微带天线因其体积小，易于加工，易与有源器件和电路集成为一个整体模块等优点，使得印刷偶极子、单极子和平面结构天线已被广泛用于这些通信场合[1-3]。

微带贴片天线是一种重量轻、与应用产品的拱形性高、制作成本低、制作工艺简单的天线，与传统天线相比具有很大的优势。采用两个残缺的椭圆环的技术方案，在残缺的椭圆环部分实现电磁耦合谐振，实现工作于无线局域网和车用无线通信频段的双频功能[4]。利用不同形状的短截线和缝隙可以实现贴片天线的多重共振的多频特性，多段缝隙槽可以用来设计具有双波段和多波段特性的贴片天线[5-6]。通过在微带贴片单极子天线上增加T型槽、切角、寄生单元等方式，设计出工作与S波段的单极子平面天线[7]。采用微带线馈电方式，辐射体采用折叠金属单极子结构，等效为加载电容，可降低天线的高度，结合单极子下部分的阶梯结构，可实现在较小的尺寸空间下，实现了4.3 dB的增益[8]。引入枝节弯折技术，辐射贴片的2个枝节，以及地板包含1个枝节，并对枝节做弯折处理，可以实现我国5G通信的3个频段，并且具有良好的辐射能力。采用L型开槽技术，在辐射贴片的四个角的合适位置进行L型缝隙的开槽，实现了8.98 dB的增益[9]。

本文提出一种新型的线极化多频段天线。该矩形微带侧馈三频段平面天线由2个嵌套U型槽结构组成，并且所设计的每个U型槽结构互相耦合相关性较低，可通过调节每个结构部分的参数，相对独立的调整对应频段的无线性能，可涵盖GSM频段、WLAN频段和WiMAX频段。因此，所提出的多频段平面天线适用于GPS、WiMAX、WLAN应用。

1 嵌套U型槽天线模型设计

图1为所设计的多频微带天线的几何形状，采用侧馈的方式，将辐射贴片制作在相对介电常数为4.4，厚度为1.6mm的FR4介质基片上。在矩形辐射贴片中，切割出由一对轴对称、互相嵌套的U型槽，将贴片分割出多个谐振区域，通过调整两个U型槽的间距、长度、宽度以及辐射贴片的尺寸，可以有效地产生三种不同的谐振频率，以满足三种不同的系统频段要求。

图1 天线结构图

整个辐射贴片的尺寸，可以激发出中频谐振，主要由Lp和Wp的尺寸决定。T1、L1、W1以及H1共同构成外层的U型槽结构，该结构主要产生高频谐振，而对另外两个频段的性能不产生影响。T2、L2、W2以及H2共同构成内层的U型槽结构，该结构主要产生低频谐振，同样该结构不对另外两个频段产生影响。

该天线的尺寸如下：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型槽天线工作原理

以上述设计的天线结构尺寸对天线进行建模仿真，为了研究天线不同的结构尺寸对天线谐振点的影响，从而导致对不同频段性能的影响，本文对天线关键部件不同的结构尺寸进行仿真，探讨不同结构对天线综合性能的影响。

如图2a所示，W2长度的微小变化仅对低频段的1.8GHz谐振点影响最大，对其余两个中频段和高频段的谐振点几乎无影响。从电流分布密度图可知，因其内部U型槽的存在，截断了辐射贴片内部的电流路径，引起电流流动路径的急剧变化，在内部U型槽的两边形成电磁耦合，激发了1.8GHz谐振。W2长度的变化，会对内层U型槽的电流路径造成较大的变化，而对整个辐射贴片的尺寸，以及外部的U型槽几乎不造成影响，因此最终的仿真结果显示W2只影响低频段。

如图2b所示，2.4GHz的中频性能调节可以通过改变LP的数值进行。从电流密度分布图可知，中频谐振主要和辐射贴片的尺寸强相关，谐振部分主要集中在辐射贴片的上下部分，以及在辐射体的中心部分，因此辐射贴片尺寸的改变，或多或少会对辐射贴片中的两个U型槽的电磁耦合产生影响。因此从仿真曲线可知，LP的数值主要调节的是中频谐振参数，对低频和高频的影响较小。

如图2c所示，3.5GHz的高频特性可由L1进行调整，而对低频和中频几乎无影响。从电流密度分布图可知，高频的谐振区域主要集中在外层的U型槽与辐射贴片外边缘间的两个长臂和槽的中间部分。外层的U型槽将辐射贴片靠近外部的电流路径给截断，将电流限制在外层的一小部分中进行激励谐振。从仿真图中可知，L1数值的微小变化，将对高频性能产生较大的影响，而对低频和中频两个频段不产生任何影响。

图2 天线工作原理及性能图

从以上分析可知，本文所提出的天线，可以对包括辐射贴片的尺寸，以及两个嵌套的U型槽的尺寸作对应的调整，从而可相对独立地对三个频段的辐射特性进行调整和优化，有利于天线的快速设计。

3 天线的结果优化与讨论

在适当的边界条件下，对天线模型进行仿真。通过优化介质层的厚度，尺寸，辐射贴片的尺寸，以及两个U型槽的尺寸和位置，得到微带天线应用所需的频段。该天线最终的-10dB阻抗带宽分别为130 MHz（1.76～1.89GHz）、240MHz（2.26～2.50GHz）和170MHz（3.41～3.58GHz），获取到的这些频段可以覆盖GSM、WiMAX、WLAN应用所需的频段宽度，并且天线的阻抗匹配也达到了设计要求，该仿真结果表明该天线具备一定的工程实用性。

为了观察所设计的天线的辐射能力，设计的天线显示了较好的全向辐射性能，尤其是在辐射贴片一侧，辐射图比较饱满，且辐射能力较强。

4 结束语

本文提出一种多频段微带天线，利用两个对称嵌套的U型槽实现了天线的多频段工作模式。通过调整两个U型槽以及辐射贴片的尺寸，可以在工作频段内，相对独立地对天线的性能进行调优。本文提出的天线具有覆盖GSM、WLAN和WiMAX应用频段的多频段特性。且在期望的频带上具有较好的方向性和可接受的增益，显示出良好的辐射性能。该天线具有结构紧凑、平面化、成本低、易于构造等优点，是一种适合多频段应用的天线。