随着无线局域网(Wireless Local Area Network，WLAN)、微波存取全球互通(Worldwide Interoperability for Microwave Access，WiMAX)短距离无线通信技术在笔记本电脑上的应用，工作在WLAN的2.4/5.2/5.8GHz频段(2.4~2.484/5.15~5.35/5.725~5.875 GHz)的天线和工作在WiMAX的2.5/3.5/5.5 GHz频段(2.5~2.69/3.3~3.7/5.25~5.85 GHz)的天线被学者广泛研究^[1-13]，文献[1-6]中天线虽然结构简单，地板较小, 可以焊接在支撑笔记本电脑显示屏地板的任意位置，但其工作频段不能覆盖WLAN、WiMAX的所有频段.为了实现这一目标，文献[7-9]采用更为复杂的天线结构和更大的地板，包括增加多个辐射分支、寄生单元或耦合单元，或者采用耦合馈电的方式^[10-11].这些天线都采用嵌入在地板上方，由于其天线竖直宽度较高以至于要求液晶显示屏支撑地板必须有足够大的空间，而且这些天线都无法覆盖2.3GHz处的WiMAX工作频段.在文献[12]中利用单极子天线特性与陶瓷芯片相组合的方式成功地设计了一款面积为8 mm×19.5 mm(不包括支撑地板)的单极子天线，虽然实现了对WLAN/WiMAX工作频段的完全覆盖，但其加工过程复杂且成本较高.

近年来，由于平面倒F形天线(Planar Inverted F Antenna，PIFA)带宽的扩展、小型化^[13]、低剖面^[14]及增益的提高^[15]在笔记本电脑上的应用成为了研究的热点和难点.基于此发展趋势，本文设计出一款能够满足所有WLAN/WiMAX工作频段，天线面积只有7.5 mm×17.5 mm(不包括支撑地板)，采用共面耦合馈电方式的紧凑型笔记本电脑天线，利用矩形辐射面与L形辐射臂之间相互耦合谐振的方式成功地减小了天线的尺寸.天线嵌在显示屏支撑金属地板上方，考虑到摄像头对天线的正常工作影响较大，一般将天线嵌在距离摄像头左侧或右侧的30 mm处^[1].使用Ansoft HFSS(High Frequency Structure Simulator)软件进行仿真和优化，确定天线各部分参数后并对天线进行实物制作和测试，结果显示，软件仿真和实物测试结果一致.

该天线是一款采用耦合馈电的PIFA天线.整个笔记本电脑天线包括天线的主要辐射单元和支撑液晶显示屏的金属地板，在设计中金属地板采用厚度为0.2 mm的铜片，地板面积大小为200 mm×260 mm, 这符合实际应用中支撑笔记本显示屏大小的设计要求.图 1是天线的主要辐射单元.经过Ansoft HFSS的设计优化，整个天线结构的参数选取如下：金属导体为0.2 mm的铜箔，处于厚度为1.6 mm的介质材料上，该天线的介质采用电性能较好的TACONIC LCAM-0620-B材料，介电常数为2.2，在10 GHz工作时的正切损耗tanδ=0.009.辐射面长L₁=17.5 mm, U型槽纵深长L₂=15.7 mm, 矩形耦合辐射面的长L₃=11.6 mm, 耦合面上L型的纵深长L₄=0.3 mm, 耦合辐射面左边离馈电臂的长L₅=3.4 mm, 天线宽W₁=7.5 mm, 主要辐射臂宽W₄=3 mm, 矩形耦合辐射面宽W₅=2.7 mm, W₃=3 mm, 矩形面与L型辐射臂之间的缝隙宽度gap₁=0.5 mm, gap₂=0.3 mm, 在实验中采用50 Ω的同轴电缆进行测试，其内导体连接在A点(馈电点)，外导体连接在B点(接地点).天线的实物模型如图 2所示.

图 1(Figure 1)

图 1 主要辐射面天线图 Figure 1 Main radiating part of the antenna

图 2(Figure 2)

图 2 天线的实物图 Figure 2 Physical picture of the antenna

为了实现2.5 GHz的谐振点，在设计中使用一个L形的辐射体，整个L形的长度限制为2.5GHz左右的谐振点处，产生的谐振近似为2×1/4λ(0.5λ)的非平衡谐振模式，用以实现覆盖2.4 GHz处的WLAN和2.5 GHz处的WiMAX工作频段，由于天线印刷在介质上，介质损耗及辐射边缘的作用减少了实际所需的谐振长度，经过Ansoft HFSS软件仿真最终优化得到天线辐射臂加上短路带的总长度为25 mm(约0.21λ)时可得到2.5 GHz处的谐振点.在设计中使用一个矩形状辐射面与L形辐射面进行相互耦合以产生带宽大于1 GHz的高次模5.5 GHz的谐振点，通过改变L₃、W₃的长度以及gap₁和gap₂的缝隙宽度可以有效地调节5.5 GHz谐振处的带宽，Q值以及天线的阻抗大小，该高次模的耦合谐振模式可以覆盖在5.5 GHz工作的WiMAX频段和5.2/5.8 GHz工作的WLAN频段.为了获得3.5 GHz处的WiMAX工作频段，在不增加整个天线尺寸的前提下，采用增加W₄的宽度并且在该辐射面上开一个U形槽的方法^[16-17]实现，其谐振频率大小由L₂的长度决定，经过Ansoft HFSS仿真软件的优化最终得到L₂=15.7 mm(约0.18λ), 可以达到完全覆盖3.5 GHz谐振处WiMAX的所有工作频段的目的.

图 3为软件仿真和实验测试结果的对比图，经过Ansoft HFSS的仿真和安捷伦公司的矢量网络分析仪E5071C的测试，结果显示该款天线的回波损耗参数的软件仿真结果和实物测试结果比较吻合，从而验证了设计方法的有效性.从图中还可以发现，本文所设计的天线具有3个谐振点，分别是2.5、3.6、5.5 GHz.回波损耗以-10 dB为参考时，第1个谐振点能够覆盖2.4 GHz的WLAN和2.5 GHz的WiMAX工作频段，第2个谐振点能覆盖3.5 GHz的WiMAX频段，由于第3个谐振点是由天线辐射面通过耦合馈电所产生，其带宽BW大于1 GHz，可以满足5.2/5.8 GHz处的WLAN和5.5 GHz处的WiMAX所有工作频段.

图 3(Figure 3)

图 3 测试和仿真的回波损耗S11图 Figure 3 Return loss(S11) of test and simulation

该笔记本电脑天线的谐振机理，如图 4所示，在2.5 GHz和3.6 GHz处的谐振都可以视为1/4λ的非平衡的PIFA谐振模式.由于在设计中对该PIFA天线采用一个矩形辐射面来进行耦合馈电的设计，在5.5 GHz左右处能产生一个接近50 Ω的输入电阻和近似为0 Ω输入电抗，从而可以激发出能覆盖5.2/5.8 GHz的WLAN和5.5 GHz的WiMAX工作频段.从图 4所示的金属表面电流分布可以发现，该PIFA天线是通过缝隙耦合谐振的方式产生近似为50 Ω的输入阻抗来实现5.5 GHz处的谐振点.在实际应用中通过调节矩形面的大小及L形的大小可以得到良好的输入阻抗特性，以实现天线的最大辐射效率.

图 4(Figure 4)

图 4 金属表面电流分布仿真图 Figure 4 Simulated surface current distributions on the printed metal portion for the proposed antenna

笔者对矩形耦合辐射面上的L形的宽L₄从0.2 mm到0.6 mm进行了扫描分析，发现通过调整其L₄的长度可以有效地改变该笔记本电脑天线的阻抗匹配和各个谐振点处的Q值特性，通过适当选取L₄的长度有利于实现天线最大的辐射效率，其扫描结果如图 5所示.在设计中还对该天线在3.5 GHz谐振处进行了探究，L₂的长度从14.7 mm到15.7 mm的扫描结果如图 6所示.从图中可以发现通过改变L₂的长度可以很有效地调整3.5 GHz处的谐振强度和带宽.

图 5(Figure 5)

图 5 回波损耗随参数L4的长度变化扫描仿真图 Figure 5 Simulated return loss with changes in the length parameter L4

图 6(Figure 6)

图 6 回波损耗随参数L2的长度变化扫描仿真图 Figure 6 Simulated return loss with changes in the length of parameter L2

在设计中利用Ansoft HFSS软件对3个谐振点进行扫描得到谐振频点2.5，3.5和5.5 GHz处的二维增益方向图，如图 7所示.结果显示该款天线在辐射平面上具有很好的全向性，能够满足实际工作要求.

图 7(Figure 7)

图 7 天线的2D辐射方向增益仿真图 Figure 7 The gain of simulated 2-D radiation patterns at for proposed antenna

本文设计了一款应用在笔记本电脑上的紧凑型、采用共面耦合馈电方式的天线.该天线采用印刷技术将金属印制在TACONIC LCAM-0620-B介质表面以实现良好的辐射特性，整个天线面积大小只有7.5 mm×17.5 mm(不包括金属地板).该天线利用矩形面耦合馈电的方法以实现了天线的小型化，低剖面特性，嵌入在笔记本电脑金属地板上后，可以覆盖2.4/5.2/5.8 GHz处的WLAN和2.5/3.5/5.5 GHz处的WiMAX所有的工作频段，并且在辐射表面方向具有比较好的全向性特点.在实际应用中通过调节矩形辐射表面上L形的尺寸及耦合缝隙的间距大小可以很好地实现天线的阻抗匹配.本文所设计的天线在无线通信设备，尤其是在低剖面的笔记本电脑上具有很好的应用前景.