随着无线通信的迅猛发展，频谱资源变得越来越紧张，因此要求无线通信系统的天线具有小型化、双频或多频的功能，微带天线由于低剖面、低成本、易于制作等优点得到了广泛的研究和应用，而双频微带天线则是微带天线近年研究的热点之一。实现微带天线双频工作主要有以下方法：(1)采用多层重叠贴片结构[1-2]：利用两个贴片层叠的方式形成两个谐振器对应着不同的谐振频率进行双频辐射，该方法有利于宽频双频微带天线的设计。但这种方式会引入多层甚至多种介质，增加了天线的剖面高度，加工不方便。(2)单基片，多个贴片结构[3]：采用谐振频率不同的贴片相嵌套的形式形成双谐振，实现双频工作。采用这种方法天线结构紧凑、制作容易、剖面低。降低微带天线谐振频率的方法有:(1)使用高介电常数的基片：此种方法可以明显降低天线谐振频率，但是微带天线的带宽和增益会随介电常数的增加而减小[4];(2)贴片开缝开槽方法[5-6]：通过开槽切断表面电流流过的路径，增加电流有效路径，降低谐振频率，但是为了实现天线的阻抗匹配，开槽的尺寸有限，参考文献[5]指出槽的长度最大不能超过10 mm，参考文献[7]则通过加载三角形微扰元补偿了开槽带来的阻抗失配。

    本文设计了一种新型的可以应用在GPS和WLAN的高增益双频微带天线。其结构是采用两个方形贴片相互嵌套的形式,内外贴片分别对应高低谐振频率点，外贴片通过切角的方法实现圆极化特性，内贴片通过在适当位置开一个尺寸较大的矩形槽，切断表面电流流过的路径，使电流有效路径增加，从而谐振频率降低到工作所需的频率点，实际上减小了内贴片的尺寸，从而使内外贴片能够嵌套。另外，在内贴片对角位置上切去不同大小的三角形微扰元，补偿了矩形槽因位置不对称性和尺寸较大给高端谐振频率点带来的阻抗失配，从而实现了高端谐振频率点的所需阻抗带宽。采用同轴线单端口馈电的方法，馈电点位于内贴片上，内外贴片通过4个位于贴片中央、大小相同的窄矩形条相连接。本文对天线一系列参数进行了仿真分析和优化。
1 天线设计
1.1 天线结构
    本文设计的天线结构如图1所示,天线由印制在厚度为h1、介电常数为3.38的RO4003基片上嵌套的内外方形贴片、高为h2的空气层、接地板构成。空气层可以用介电常数为1.006的泡沫材料填充；外贴片尺寸为:w1×w1，内贴片尺寸为：w2×w2；在外贴片对角位置切去面积为l1×l1的微扰元,从而分离出幅度相等、相位差90°的简并模，实现圆极化特性。在内贴片中开一个尺寸较大的矩形槽，降低天线高端谐振频率点，使其工作在2.45 GHz频率处。槽的下边长位于y轴上，下边长的中点即为原点，槽的大小为w3×l3。由于开槽的位置给内贴片上电流的路径带来了不对称性,以及槽的尺寸过大，使高端谐振频率点不能达到匹配，因此在内贴片的对角位置切去两个不同大小的三角形微扰元来抵消开槽带来的影响，其中x负半轴方向的三角形边长为l5,正半轴方向的三角形边长为l6，从而使高端谐振频率点达到匹配，实现较好的阻抗带宽特性。馈电点位于x轴上距离原点处d的内贴片上；外贴片与内贴片之间是边长为l2、槽宽为l4的方形环槽，外贴片通过位于贴片中央位置的4个窄矩形条与内贴片相连，大小均为w4×l4。

1.2 参数设置与优化
    根据微带天线的腔模理论[4]，内外贴片的尺寸通过式(1)初步设置:
    

    图4给出了该天线最大辐射方向上两个频段的增益曲线,其中在1.53 GHz~1.59 GHz频段内增益在10.93 dBi~11.82 dBi之间，2.40 GHz~2.48 GHz频段内增益6 dBi~7.15 dBi,可见该天线在两个频段具有较高的增益。
    本文设计了一种新颖的双频微带天线结构，即内外方形贴片嵌套，在内贴片上开矩形槽，在内外贴片的对角位置上切角，产生微扰元，具有良好的双谐振特性和带宽特性，覆盖了GPS和WLAN工作频段,在1.57 GHz~1.68 GHz频率段轴比小于6 dB，基本满足了GPS天线谐振频率点的圆极化特性。同时，在两个频率段具有较高的增益,其中在低端谐振频率段对应的增益约在10.93 dBi以上，在高端谐振频率段增益约在6 dBi以上。本文设计的天线具有小型化、易于制作等优点。
参考文献
[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.
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[3] GENTILI M． Dual-frequency patch antennas[J]．IEEE Antennas and Propagation Magazine,1997:39:13-20.
[4] 钟顺时．微带天线理论与应用[M]．西安:西安电子科技大学出版社，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，黎滨洪，刘海涛，等．缝隙加载H 形双频天线[J]．电波科学学报，2004，19(1):95-98.
[7] 张俊文，钟顺时．V形微带缝隙天线[J]．微波学报，2007,23(2):44-46.