隨著無(wú)線通信的迅猛發(fā)展，頻譜資源變得越來(lái)越緊張，因此要求無(wú)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(diǎn)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(diǎn)之一。實(shí)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(gè)貼片層疊的方式形成兩個(gè)諧振器對(duì)應(yīng)著不同的諧振頻率進(jìn)行雙頻輻射，該方法有利于寬頻雙頻微帶天線的設(shè)計(jì)。但這種方式會(huì)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(gè)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(shí)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(huì)隨介電常數(shù)的增加而減小[4];(2)貼片開(kāi)縫開(kāi)槽方法[5-6]：通過(guò)開(kāi)槽切斷表面電流流過(guò)的路徑，增加電流有效路徑，降低諧振頻率，但是為了實(shí)現(xiàn)天線的阻抗匹配，開(kāi)槽的尺寸有限，參考文獻(xiàn)[5]指出槽的長(zhǎng)度最大不能超過(guò)10 mm，參考文獻(xiàn)[7]則通過(guò)加載三角形微擾元補(bǔ)償了開(kāi)槽帶來(lái)的阻抗失配。

    本文設(shè)計(jì)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(gè)方形貼片相互嵌套的形式,內(nèi)外貼片分別對(duì)應(yīng)高低諧振頻率點(diǎn)，外貼片通過(guò)切角的方法實(shí)現(xiàn)圓極化特性，內(nèi)貼片通過(guò)在適當(dāng)位置開(kāi)一個(gè)尺寸較大的矩形槽，切斷表面電流流過(guò)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(diǎn)，實(shí)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(duì)角位置上切去不同大小的三角形微擾元，補(bǔ)償了矩形槽因位置不對(duì)稱(chēng)性和尺寸較大給高端諧振頻率點(diǎn)帶來(lái)的阻抗失配，從而實(shí)現(xiàn)了高端諧振頻率點(diǎn)的所需阻抗帶寬。采用同軸線單端口饋電的方法，饋電點(diǎn)位于內(nèi)貼片上，內(nèi)外貼片通過(guò)4個(gè)位于貼片中央、大小相同的窄矩形條相連接。本文對(duì)天線一系列參數(shù)進(jìn)行了仿真分析和優(yōu)化。
1 天線設(shè)計(jì)
1.1 天線結(jié)構(gòu)
    本文設(shè)計(jì)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(duì)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(jiǎn)并模，實(shí)現(xiàn)圓極化特性。在內(nèi)貼片中開(kāi)一個(gè)尺寸較大的矩形槽，降低天線高端諧振頻率點(diǎn)，使其工作在2.45 GHz頻率處。槽的下邊長(zhǎng)位于y軸上，下邊長(zhǎng)的中點(diǎn)即為原點(diǎn)，槽的大小為w3×l3。由于開(kāi)槽的位置給內(nèi)貼片上電流的路徑帶來(lái)了不對(duì)稱(chēng)性,以及槽的尺寸過(guò)大，使高端諧振頻率點(diǎn)不能達(dá)到匹配，因此在內(nèi)貼片的對(duì)角位置切去兩個(gè)不同大小的三角形微擾元來(lái)抵消開(kāi)槽帶來(lái)的影響，其中x負(fù)半軸方向的三角形邊長(zhǎng)為l5,正半軸方向的三角形邊長(zhǎng)為l6，從而使高端諧振頻率點(diǎn)達(dá)到匹配，實(shí)現(xiàn)較好的阻抗帶寬特性。饋電點(diǎn)位于x軸上距離原點(diǎn)處d的內(nèi)貼片上；外貼片與內(nèi)貼片之間是邊長(zhǎng)為l2、槽寬為l4的方形環(huán)槽，外貼片通過(guò)位于貼片中央位置的4個(gè)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(guò)式(1)初步設(shè)置:
    

    圖4給出了該天線最大輻射方向上兩個(gè)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(jiàn)該天線在兩個(gè)頻段具有較高的增益。
    本文設(shè)計(jì)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(kāi)矩形槽，在內(nèi)外貼片的對(duì)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(diǎn)的圓極化特性。同時(shí)，在兩個(gè)頻率段具有較高的增益,其中在低端諧振頻率段對(duì)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(jì)的天線具有小型化、易于制作等優(yōu)點(diǎn)。
參考文獻(xiàn)
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