随着无线通信领域系统集成需求的逐渐增加，工程实现过程中通常会倾向于将各种功能的无线通信模块集中设计在一个设备机箱中，一方面节约空间，另一方面方便同时完成各种协议下不同制式的通信或数据传输功能，便于数据的收集和快速处理. 随着各种通信系统之间的集成程度越来越高，单一工作频率的天线显然已不能同时满足多系统的工作频带需求. 虽然超宽带天线的引入为多系统兼容性天线提供了一种解决方案^[1-3]，但是超宽带天线全频带辐射的特性容易引进额外的系统噪声，所以多频天线依然可以胜任不同系统的兼容性需求^[4-7]. 近年来为了满足多系统工作要求，双频^[8-10]、三频^[11-14]乃至四频的天线设计层出不穷^[15-17]. 本文的目的在于提出一款满足多系统工作的潜在要求的紧凑型四频微带贴片天线的设计和调试方法.

天线设计于双面覆铜板上，板厚0.8 mm，相对介电常数ε_r=2.2. 本文讨论了四频微带贴片天线的实现方式、各工作模式，以及各尺寸参数对各频带中心频率的影响，并给出了一个模型的仿真和测试数据，为未来多功能系统的兼容性天线提出一个可供选择的方案. 具体的频段调整可以根据系统的实际需求，按照文中描述的方式相应变化.

四频微带贴片天线的设计利用了商业软件进行全波仿真. 模型的示意图如图1所示，一个一般性实验模型的各参数尺寸如表1所示，该尺寸为调试后的最终结果. 天线模型在4个工作频段内都达到阻抗匹配，天线馈电端口的回波损耗S₁₁参数均小于–10 dB. 天线基于正方形微带贴片设计，使用了同轴馈电，图1中黄色部分为剩余的金属贴片区域. 由侧视图可以看出，尺寸l₇和l₈对应的销钉为同轴线的探针馈电位置.

图 1(Figure 1)

图 1 贴片天线示意图 Figure 1 The proposed microstrip patch antenna

表 1(Table 1)

表 1 天线各尺寸参数 Table 1 The values of the antenna parameters 参数 尺寸 参数 尺寸 r 3.5 l4 3.5 h 0.8 l5 3.5 l1 15 l6 3.5 l2 3.75 l7 4.5 l3 4.5 l8 7.5

表 1 天线各尺寸参数 Table 1 The values of the antenna parameters

四频天线激励起的4个频段从低到高依次为TM₁₀、TM₀₁、TM₂₀、TM₀₂模式. 边长为15 mm的正方形贴片工作于TM₁₀模时的频率比6 GHz略低，该模式属于微带贴片的基模. 通过在贴片的1/4区域开圆形槽可以实现一组简并工作模式，调整圆形槽的大小以及在另一条对角线方向切角可以调整2个简并模式之间的频率差，使天线在2个对角线方向实现不同尺寸的半波长谐振. 这2个模式经过调整也可以实现圆极化工作方式，本文将这2个模式设计为双频线极化的工作方式，即2个低频的模式为TM₁₀模和TM₀₁模. 在天线的另一个1/4区域加载短路销钉引进了一个新的谐振模式，该模式实为贴片天线的高阶模TM₂₀模向低频移动的结果. 普通微带天线的TM₂₀模在垂直天线平面的方向上辐射很弱，销钉的加入扰乱了原TM₂₀模的场分布情况，辐射孔径上场的分布使该模式辐射的主瓣在垂直天线平面的方向上几乎没有衰减，完成了跨越端射方向的连续覆盖. 天线激励起的第4个工作模式为TM₀₂模，它是TM₂₀模的简并模式. 然而由于销钉的加入，该模式的极化方向有所改变，该模式沿着正方形贴片的一条边达到了谐振条件，同样其辐射主瓣在垂直天线平面的方向也没有明显的衰减. 通过移动销钉的位置和对贴片的切角不仅在一定程度上影响了TM₂₀和TM₀₂模的方向图，而且对贴片中所有的谐振模式的谐振频率起到一定的调整作用. 如此，使用2个简并模式和2个方向图修正后的高阶简并模式实现了四频的工作，在4个频段内，天线的辐射方向图区别不大，均能覆盖其边射方向附近较大的空间角范围. 通过调整馈电点位置、短路销钉位置和切角及圆形槽的大小均可以调整天线各频段的中心频率和输入阻抗.

根据不同的通讯需求，可以对4个工作频段的中心频率进行调整. 因为基模TM₁₀的工作频率取决于贴片的尺寸，所以最低频的工作模式和整体4个频段分布起点决定于贴片的尺寸l₁. 圆形槽的大小r决定了2个简并模式工作频段之间的差距，当圆形槽的半径略小于1/4的贴片边长时，2个低频简并模之间的频率差距最大；当不开圆形槽时，两频段会完全重合. 圆形槽的引入也会对TM₂₀模的频率产生较大影响，因为其谐振尺寸由圆形槽所在的对角线尺寸决定，而基模和TM₀₂模受到的影响较小. 切角会影响TM₀₁和TM₂₀模的工作频率，对TM₁₀模和TM₀₂模影响较小，所以在设计4个频段工作时应先根据贴片尺寸和圆形槽大小确定TM₁₀模和TM₀₁模，然后利用45°的切角即设定l₃和l₄相等确定TM₂₀模和TM₀₂模. 销钉的引入对高阶模的方向图有修正作用，所以销钉的区域只能位于图1所示的1/4贴片区域，移动销钉调整辐射方向图，直至高阶模的方向图在边射方向没有明显凹陷. 销钉的移动对方向图的影响是一个缓变过程，所以可以在调整方向图的同时兼顾改变TM₀₁模和TM₂₀模的工作频段以满足系统要求. 以上步骤为谐振频段的调整方法. 下文再进行全频段的阻抗匹配.

馈电点的位置对4个频段内各自的阻抗影响较大，所以优先确定. 天线工作于4个频段的输入阻抗差距并不大，所以馈电点位置的确定能基本满足四频段同时匹配的需求，这个特点适合于在此贴片上设计同时实现4个频段工作的天线. 此步骤优先匹配TM₁₀模和TM₀₁模的输入阻抗. 销钉位置的移动能轻度地调整输入阻抗，但改变不大，所以调整销钉位置时可兼顾频段的偏移情况. 最后通过调整切角的尺寸对天线高频的2个频段进行阻抗匹配，切角的变化对2个低频的阻抗影响不大，然而切角可能会影响该对角线方向上天线的谐振尺寸，即影响相关频段的工作频率. 为了减小切角对谐振频率的影响，该步骤的调整以45°切角为基准，改变2条直角边的长短，使天线在对角线方向上的谐振尺寸基本不变，就能仅做阻抗匹配而几乎不影响工作频点位置. 工作频段的细微调整需要重复以上频率调整步骤和阻抗匹配步骤，最终达到多功能通信系统的需求.

表1中描述的模型经加工制作后的成品如图2所示，天线的贴片尺寸比一枚一元硬币略小. 同尺寸传统正方形微带贴片天线的基模工作频率为6.43 GHz，天线的基模工作频率更低，所以该天线具有一定的小型化效果. 经过仿真和制版实测后的S₁₁参数如图3所示. 天线仿真得出的4个工作频率为6.32 GHz、7.99 GHz、10.45 GHz、11.85 GHz，实测得出的4个工作频率分别为6.29 GHz、7.96 GHz、10.47 GHz、11.88 GHz. 4个实测工作频率相对于仿真频率的偏移分别为0.3%、0.38%、0.19%、0.25%，由此可见仿真的数据和实测结果吻合度非常好. 天线4个频段的相对带宽分别为1.4%、1.4%、1.1%、2%，符合微带贴片天线的窄带特征，如果实际系统的带宽需求更大可考虑选用相对介电常数更低厚度更大的介质板进行设计.

图 2(Figure 2)

图 2 四频微带贴片天线加工模型 Figure 2 The fabricated four-band microstrip patch antenna

图 3(Figure 3)

图 3 四频微带贴片天线S11 Figure 3 S11 of four-band microstrip patch antenna

图4给出紧凑型四频微带贴片天线在4个工作频段中心频率处φ=0°和φ=90°平面上的增益方向图，对比了仿真数据和实测数据，4个频段的仿真和实测方向图数据在各自2个正交平面内的吻合度都非常高. 在4个频段里天线辐射方向图没有明显的变化，均能在上半平面内实现100°以上的空间角度覆盖，即半功率波瓣宽度均能达到100°以上，而且10.43 GHz和11.85 GHz这2个高阶频率的辐射方向图在垂直于天线平面的方向没有出现明显的凹陷变形. 4个频段内天线方向图的前后比均能达到15 dB左右. 所以该天线在4个频段内增益稳定，辐射形态不变，可以满足有一定区域覆盖性要求的通信系统需求，也能作为WIFI或蓝牙等发射接收器件的搭载天线.

图 4(Figure 4)

图 4 四频仿真与实测方向图 Figure 4 The simulated and measured radiation patterns for the four bands

本文通过对正方形贴片挖圆形槽、切角和打短路销钉，利用简并模式和高阶模式实现了四频段工作的紧凑型微带贴片天线，文中实测的模型工作于6.29 GHz、7.96 GHz、10.47 GHz和11.88 GHz，分别激励起微带贴片天线的TM₁₀、TM₀₁、TM₂₀和TM₀₂模式.各模式的实测辐射方向图都能覆盖上半平面100°以上的空间角范围，各频段工作频带内的回波损耗S₁₁参数均低于–10 dB，说明4个频段同时达到了较好的阻抗匹配.

文中还给出了该四频天线的快速设计方法. 阐明了4个频段中心频率的调整方法和步骤，分析了影响各频段工作频率的天线尺寸参数，并且研究了各频段的阻抗匹配方法与流程. 该天线可以根据实际多功能通信系统的具体工作频率要求进行快速设计和调整，并且具有一定的小型化效果，满足系统集成的要求.