吕明明，尹衍庄，马 龙，孙绪保

（山东科技大学 电子通信与物理学院，山东 青岛 266590）

0 引 言

微带天线的质量较轻、体积较小，能够更加方便地获得圆极化，实现双频工作功能，所以被广泛应用于无线通信系统[1]。如今，无线通信技术向着高速、宽带以及大容量的趋势迅速发展，所以提高系统的通信容量已成为关键。提高系统通信容量的方法之一，是设计可以兼容现有的多个频段资源的多频通信系统[2]。因此，在多频通信系统中，天线的双频或多频工作特性成为众多学者的研究方向。各种文献中也提到了许多使天线获得多频工作特性的方法。文献[3]提出了一种可以应用在WLAN系统中的双频段贴片天线，通过在贴片上开一个矩形切口，使天线能够工作在2.45 GHz和4.96 GHz两个频段上。文献[4]提出了一种双频段PIFA天线，采用同轴探针馈电，在辐射贴片上开三条缝隙改变贴片上原来的电流流向，实现天线的双频段工作，且天线中连接辐射贴片和接地板的短路金属片能够增大天线的带宽[5]，但是这种天线结构尺寸较大，达不到如今天线小型化的需求。文献[6]设计了一种双频段贴片天线，在贴片上加载了一个成十字形状的槽，减小了天线谐振频率，增加了天线带宽，加载两个短路针用于天线的小型化和双频特性。文献[7]提出了一种双频段MIMO谐振器天线。

本文提出的天线是对普通的微带天线的改进，通过在贴片上开一个开口向上的缺口，使贴片形成“凹”字形状，从而在缺口和主贴片之间产生相互作用，使天线能够工作在3.8 GHz和4.5 GHz两个频段上，S11达到了-35 dB和-42 dB，两个频段的带宽分别为180 MHz（3.72～3.9 GHz）、170 MHz（4.45～4.62 GHz），同时在馈电探针附近加载短路探针使天线获得了小型化的优点。

1 天线设计

文章设计了一种小型化的双频段微带天线，馈电方式采用同轴线馈电，介质基板的材质为环氧树脂玻璃纤维板（FR4），尺寸大小为30 mm×22 mm×4 mm，介质基板上表面为矩形贴片，下表面为接地平面，通过在贴片上开一个开口向上的矩形缺口改变原来贴片上的电流路径。电流通过同轴探针到达贴片的顶部和底部边缘。由于切口的加载使电流路径的长度增加，切口和主贴片之间形成了强烈的相互作用，使天线能够工作在两个频段。通过加载一个短路探针的方式，减小了天线贴片的尺寸[8]。HFSS仿真加载探针之后贴片的尺寸，发现减小了12.3%。

介质基板上贴片的初始长、宽分别为：

其中：

f为中心谐振频率，c为光速，εe为有效介电常数。在不加载短路探针的情况下，经过公式计算得出天线贴片的初始长度为19.26 mm，宽度为26.05 mm。采用同轴线馈电，同轴线的外圈和接地平面相连，内芯部分穿过介质基板与贴片相连，馈电点的位置坐标(Xf,Yf

)影响天线的阻抗匹配。在贴片上加载一个开口向上的矩形切口后，切口的长度和宽度对天线的谐振频率有显著影响，可改变切口的长和宽获得需要的工作频率。为了缩小天线贴片的尺寸，在馈电点附近加一个短路探针，探针的半径为r1，位置坐标为(Px,Py)。加入短路探针后，在贴片面积减小的同时，也增大了天线的两个中心工作频率。

天线的结构图，如图1所示。通过HFSS仿真软件对天线的尺寸进行分析得到，H=4 mm，Ls=30 mm，Ws=22 mm，Lp=27.4 mm，Wp=18.4 mm，L1=12.5 mm，W1=11mm，同轴探针的位置坐标(Xf,Yf)为（14 mm，9 mm），短路探针的位置坐标(Px,Py)为（14 mm，18 mm）。优化后的天线可以工作在3.8 GHz和4.5 GHz两个频段上，S11参数分别为-34 dB和-38 dB，两个频段的输入阻抗分别为（51-j1） Ω和（50+j1） Ω，说明优化后的天线阻抗匹配良好。

图1 天线结构图

2 仿真结果与分析

天线未加载短路探针和加载短路探针的S11曲线图，如图2所示。从图2能够得到，加载短路探针后，天线的中心工作频率提高了，低频频率由3.4 GHz提高到了3.8 GHz，高频频率由4.2 GHz提高到了4.5 GHz，但是天线的S11参数值并没有受到较大影响。加载短路探针前后，天线的S11值都在-30 dB以下，说明天线的阻抗匹配良好。未加载短路探针之前，辐射贴片的尺寸为27.4 mm×18.4 mm；加载短路探针后，辐射贴片的尺寸为26 mm×17 mm。可见，辐射贴片的面积减小了12.3%。

图2 有无短路探针天线的S11曲线

该天线中短路探针的位置(Px, Py)对天线的性能也有显著影响。固定X轴的坐标Px=14 mm不变，研究Y轴坐标的改变对天线性能的影响。经HFSS仿真分析得到短路探针的Y轴坐标在不同位置下的S11的曲线图，如图3所示。从S11曲线图可以看出，改变短路探针Y轴坐标的位置对天线在4.5 GHz频率下的S11不会有太大变化，但是对3.8 GHz频率下的S11有较大影响。当Py=18 mm时，天线在低频3.8 GHz和高频4.5 GHz的S11分别为-35 dB、-42 dB，说明天线的阻抗匹配良好。

图3 短路探针在不同位置下的S11曲线

天线的辐射方向图如图4所示（实线代表xoz面，虚线代表yoz面）。

图4 天线的辐射方向图

其中，图4（a）为3.8 GHz频率下的天线辐射方向图，图4（b）为4.5 GHz频率下的天线辐射方向图。由辐射方向图能够得到低频3.5 GHz频率下天线增益的最大值为3.71 dB，高频4.5 GHz频率下天线增益的最大值达到了3.79 dB。

3 结 语

文章设计了一种加载短路探针的小型化双频微带天线，在矩形贴片上开一个开口向上的矩形切口，在同轴探针附近加载一个短路探针使天线能够同时工作在3.8 GHz和4.5 GHz两个频段上。天线在两个频段的S11分别为-35 dB和-42 dB，天线阻抗匹配良好，且在两个频段上天线均具有良好的增益，如在低频3.8GHz时的最大增益为3.71 dB，高频4.5 GHz时的最大增益为3.79 dB。此外，设计的天线加入了短路探针，使天线贴片的面积减小了12.3%。

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