双频微带缝隙天线的设计

双频微带缝隙天线的设计

【摘要】近年来，我国双频天线设计技术发展迅速，这是逐渐满足我国快速社会化、城镇化的必然需要。随着我国双频标准的提出，无限局域网的通讯技术得到了快速发展的基于和空间，同时无限局域网天线的需求也逐步增多。目前手机、卫星计算机、个人电脑终端的无线网卡、各种远程设备等，都需要双频微带缝隙天线来适应各种复杂的换进和要求。在天线设计中，必须要保证天线能够具有良好的全性能。双频微带缝隙天线由于本身结构的简单因此在竞争中具有绝对的优势，与其他普通微带缝隙天线相比，双频微带缝隙天线具有更宽的宽带、低能号、低成本、体积小等优点，功能也在日益多样化，因此双频微带缝隙天线已经成为母线研究的重点。本文提出一种新型的应用于无线局域网的双频微带缝隙天线的设计方法，利用其结构紧凑、馈电方式简单以及满足无线局域网的技术要求，来满足实际对技术的各种需要。

【关键词】微带缝隙天线；无线局域网；天线后辐射

1.微带缝隙天线概述

微带缝隙天线是上世纪七十年代研究成功的一种新型的天线。这种天线具有结构简单、重量轻、抑郁飞行器表面共型安装、并可与微带电路集成的技术有点，已经广泛的应用于通信、雷达等领域。目前，随着我国军事、电子通信、移动通信中调频、扩频通信技术的发展和改进，对于天线在瞬时频率上提供更大宽带的要求显得更为迫切。同时，我国正处于2G与3G的过渡时期，电子移动通信用户的急剧增长，因此就使得通信系统不断更新和扩容。在为减小无线通信中的干扰并降低成本的要求下，天线就必须要保证能够在宽频带内工作。此外，为了满足多个系统的通信要求，实现多系统共用和收发共用，这又要求天线在不同频段下工作，移动通信的发展给微带缝隙天线提出了各种全新的挑战，但是微带缝隙天线的实际研究发展是否能够适应顾客需求发展的要求已经成为通信领域未来发展的关键问题。因此，微带缝隙天线的多频段和宽频带技术的研究已经成为一个迫切的研究课题。

目前，微带缝隙天线的双频化技术主要有：采用多层贴片；在矩形片的辐射边附近刻蚀缝隙；带有短路针和缝隙的矩形贴片；inclined缝隙耦合的矩形贴片；还有采用单一馈电、单层结构的双频技术的等。我国学者葛琳等人目前已经设计了一种新型的“田”字形单层双频微带缝隙天线，实现了s波段和x波段天线的孔径复用，x波段的中心频率为10．57GHz，带宽约为1GHz。我国学者陈斌等人设计了一种单层探针馈电的双层微带缝隙天线，这种天线的两个工作频差较大，其中心工作频率分别为2．91GHz和9．70GHz，且该天线的方向图一致性较好。

此外，在研究过程中我们发现，通过对天线开槽和加多个短路针处理，可以获得1．3-3的双频比，双频比的大小取决于短路针的数量。F．S．Chang等人设计了用探针共面馈电且只用一个平板的用于GSM／DCS／PCS的宽频带双频天线J。但上面的方法也存在不足，有时会影响天线的其他性能指标，且增加了工艺制作的复杂性，降低了天线带宽、效率等。

2.双频微带缝隙天线的研究方法

2.1理论的分析方法简单描述求解过程

（1）从麦克斯韦方程组出发，引入洛仑兹条件，得出矢量波动方程。

（2）选择一个最适合于天线几何形状的正交坐标系统，并将天线放置于此坐标系统中，求出电流分布。

（3）求矢量位函数，根据电流分布求矢量波动方程的解(这是最难的一步，即计算幅射积分)。

（4）求电场强度及磁场强度。

2.2计算电磁学的方法

因为实际上研究的天线几乎是任意结构的，因此采用上述理论的分析方法在很多情况下十分困难。对于结构任意的天线的分析计算，常采用计算电磁学的方法。计算电磁学被广泛地定义为一门内在和常规’的应用数字计算机来获得电磁问题的数值结果的学科。它是电磁工程师可使用的第三种工具，其他2种是数学分析(即理论分析)和实验观察。用实验结果来检验分析结果和计算电磁学结果并不是不常见，同样用分析或计算电磁学来理解实验结果也是相当普遍的。

计算电磁学的方法可以采用数值方法，有低频方法与高频方法。低频方法有基于积分方程的矩量法(MoM)和基于微分方程的时域有限差分法(FDTD)。处理波长小于散射体或天线几何尺寸的射频范围内的电磁问题，需要使用高频方法。高频方法有基于场的几何光学法(GO)及将其扩展为称为劈绕射(几何绕射)理论(GTD)的方法，有基于流的物理光学法(PO)及将扩展为称为物理绕射理论(PTD)的方法。计算电磁学的方法可以使用高级语言编程的方程来实现，也可利用一些仿真软件来完成。

3.天线设计

3.1理论分析

实现微带缝隙天线的双频工作设计可以有多种方法，目前较为普遍的方法就是采用在单层介质基片上开非对称平行双缝的方法，设计了一种双频微带缝隙天线结构在辐射板上开平行双缝，该平行双缝分割了矩形贴片上的电流，从而改变了其电流分布，使贴片表现出双频效应。由于采用对角线同轴结构馈电，馈电点到四个辐射边的电流路径因缝隙的存在而被延长，降低了天线贴片的谐振频率。从同轴线馈送到辐射片的电流由于受到双缝的阻挡，则由这个平行双缝所围区域产生了一个假想的辐射贴片，所以可以通过改变辐射片的尺寸大小来改变其双频特性。

3.2天线改进

由于平行双缝的延伸方向和电流的方向是平行的，所以对该结构的调整对天线的频率影响不是很显著。而这样的结构可以通过对双缝位置的调整来获得较好的极化特性及辐射性能。同时，通过对馈电点的合理调整可以得到良好的阻抗匹配性能。

当天线的对称双非缝位置结构改变为非对称的位置结构时，天线低频段的工作宽带基本上没有改变，而高频段的工作带宽将会有所增加，因此这是天线的后巷辐射也将会有所减小。在这种情况下，1.75GHz和2.43GHz时的天线前后比分别为15.713dB和13.815dB，这与对称位置结构的双缝天线相比，先后、比明显分别改善了0.04dB，天线的增益情况没有明显的增加，但是天线的高频段的辐射特性去得到了较好的改善。

通过改变天线双缝的宽度，放分析的尺寸分别为1～4mm的情况下，天线的辐射防线图及波比图形基本上不会发生变化，因此这也就在一定程度上降低了天线在制造过程中对天线开缝公差的具体要求，能够促使天线的制作变得更为便捷。