隨著無線通信的迅猛發(fā)展，頻譜資源變得越來越緊張，因此要求無線通信系統(tǒng)的天線具有小型化、雙頻或多頻的功能，微帶天線由于低剖面、低成本、易于制作等優(yōu)點得到了廣泛的研究和應(yīng)用，而雙頻微帶天線則是微帶天線近年研究的熱點之一。實現(xiàn)微帶天線雙頻工作主要有以下方法：(1)采用多層重疊貼片結(jié)構(gòu)[1-2]：利用兩個貼片層疊的方式形成兩個諧振器對應(yīng)著不同的諧振頻率進行雙頻輻射，該方法有利于寬頻雙頻微帶天線的設(shè)計。但這種方式會引入多層甚至多種介質(zhì)，增加了天線的剖面高度，加工不方便。(2)單基片，多個貼片結(jié)構(gòu)[3]：采用諧振頻率不同的貼片相嵌套的形式形成雙諧振，實現(xiàn)雙頻工作。采用這種方法天線結(jié)構(gòu)緊湊、制作容易、剖面低。降低微帶天線諧振頻率的方法有:(1)使用高介電常數(shù)的基片：此種方法可以明顯降低天線諧振頻率，但是微帶天線的帶寬和增益會隨介電常數(shù)的增加而減小[4];(2)貼片開縫開槽方法[5-6]：通過開槽切斷表面電流流過的路徑，增加電流有效路徑，降低諧振頻率，但是為了實現(xiàn)天線的阻抗匹配，開槽的尺寸有限，參考文獻[5]指出槽的長度最大不能超過10 mm，參考文獻[7]則通過加載三角形微擾元補償了開槽帶來的阻抗失配。

    本文設(shè)計了一種新型的可以應(yīng)用在GPS和WLAN的高增益雙頻微帶天線。其結(jié)構(gòu)是采用兩個方形貼片相互嵌套的形式,內(nèi)外貼片分別對應(yīng)高低諧振頻率點，外貼片通過切角的方法實現(xiàn)圓極化特性，內(nèi)貼片通過在適當位置開一個尺寸較大的矩形槽，切斷表面電流流過的路徑，使電流有效路徑增加，從而諧振頻率降低到工作所需的頻率點，實際上減小了內(nèi)貼片的尺寸，從而使內(nèi)外貼片能夠嵌套。另外，在內(nèi)貼片對角位置上切去不同大小的三角形微擾元，補償了矩形槽因位置不對稱性和尺寸較大給高端諧振頻率點帶來的阻抗失配，從而實現(xiàn)了高端諧振頻率點的所需阻抗帶寬。采用同軸線單端口饋電的方法，饋電點位于內(nèi)貼片上，內(nèi)外貼片通過4個位于貼片中央、大小相同的窄矩形條相連接。本文對天線一系列參數(shù)進行了仿真分析和優(yōu)化。
1 天線設(shè)計
1.1 天線結(jié)構(gòu)
    本文設(shè)計的天線結(jié)構(gòu)如圖1所示,天線由印制在厚度為h1、介電常數(shù)為3.38的RO4003基片上嵌套的內(nèi)外方形貼片、高為h2的空氣層、接地板構(gòu)成?？諝鈱涌梢杂媒殡姵?shù)為1.006的泡沫材料填充；外貼片尺寸為:w1×w1，內(nèi)貼片尺寸為：w2×w2；在外貼片對角位置切去面積為l1×l1的微擾元,從而分離出幅度相等、相位差90°的簡并模，實現(xiàn)圓極化特性。在內(nèi)貼片中開一個尺寸較大的矩形槽，降低天線高端諧振頻率點，使其工作在2.45 GHz頻率處。槽的下邊長位于y軸上，下邊長的中點即為原點，槽的大小為w3×l3。由于開槽的位置給內(nèi)貼片上電流的路徑帶來了不對稱性,以及槽的尺寸過大，使高端諧振頻率點不能達到匹配，因此在內(nèi)貼片的對角位置切去兩個不同大小的三角形微擾元來抵消開槽帶來的影響，其中x負半軸方向的三角形邊長為l5,正半軸方向的三角形邊長為l6，從而使高端諧振頻率點達到匹配，實現(xiàn)較好的阻抗帶寬特性。饋電點位于x軸上距離原點處d的內(nèi)貼片上；外貼片與內(nèi)貼片之間是邊長為l2、槽寬為l4的方形環(huán)槽，外貼片通過位于貼片中央位置的4個窄矩形條與內(nèi)貼片相連，大小均為w4×l4。

1.2 參數(shù)設(shè)置與優(yōu)化
    根據(jù)微帶天線的腔模理論[4]，內(nèi)外貼片的尺寸通過式(1)初步設(shè)置:
    

    圖4給出了該天線最大輻射方向上兩個頻段的增益曲線,其中在1.53 GHz~1.59 GHz頻段內(nèi)增益在10.93 dBi~11.82 dBi之間，2.40 GHz~2.48 GHz頻段內(nèi)增益6 dBi~7.15 dBi,可見該天線在兩個頻段具有較高的增益。
    本文設(shè)計了一種新穎的雙頻微帶天線結(jié)構(gòu)，即內(nèi)外方形貼片嵌套，在內(nèi)貼片上開矩形槽，在內(nèi)外貼片的對角位置上切角，產(chǎn)生微擾元，具有良好的雙諧振特性和帶寬特性，覆蓋了GPS和WLAN工作頻段,在1.57 GHz~1.68 GHz頻率段軸比小于6 dB，基本滿足了GPS天線諧振頻率點的圓極化特性。同時，在兩個頻率段具有較高的增益,其中在低端諧振頻率段對應(yīng)的增益約在10.93 dBi以上，在高端諧振頻率段增益約在6 dBi以上。本文設(shè)計的天線具有小型化、易于制作等優(yōu)點。
參考文獻
[1] Ma Shunlai， ROW J S． Design of single-feed dual-requency patch antenna for GPS and WLAN applications[J]．IEEE Trans．Antennas and Propagat，2011,59(9):3433-3436.
[2] 彭祥飛，鐘順時．小型化雙頻段GPS微帶天線[J]．上海大學(xué)學(xué)報（自然科學(xué)版），2005,11(1):8-10.
[3] GENTILI M． Dual-frequency patch antennas[J]．IEEE Antennas and Propagation Magazine,1997:39:13-20.
[4] 鐘順時．微帶天線理論與應(yīng)用[M]．西安:西安電子科技大學(xué)出版社，1991.
[5] CHEN W．S，WU C Ｋ． Single-feed squarering microstrip antenna with truncated corners for compact circular polarization operation[J]． Electron．Lett．1998,34(11)：1045-1047.
[6] 戚冬生，黎濱洪，劉海濤，等．縫隙加載H 形雙頻天線[J]．電波科學(xué)學(xué)報，2004，19(1):95-98.
[7] 張俊文，鐘順時．V形微帶縫隙天線[J]．微波學(xué)報，2007,23(2):44-46.