面向5G NR与Wi-Fi 7笔记本电脑应用的多频多模印刷天线设计及其超材料传输线结构研究

《IEEE Access》：Multiband, Multimode, Printed Antenna for 5G, and Wi-Fi 7 Laptop Computer Applications

本刊编辑推荐：为解决笔记本电脑内部空间有限且需同时覆盖5G新无线电（NR）与Wi-Fi 7多频段通信的难题，苏绍文研究员团队开展了一项基于超材料传输线（TL）结构的多频多模印刷天线研究。该设计创新性地在传统右旋（RH）耦合馈电环天线中周期性加载左旋（LH）串联电容与并联电感，成功激发了包括零阶谐振（ZOR）在内的四种谐振模式，实现在单层基板上仅35 mm × 5.5 mm的紧凑结构下覆盖2.4/5/6 GHz Wi-Fi 7频段与3.3–4.2 GHz 5G NR频段。实测总效率在2.4 GHz、5/6 GHz及NR 77/78频段分别优于46%、77%和70%，其小型化、高效率特性为消费电子终端天线设计提供了实用化解决方案。

　　

随着第五代移动通信（5G）技术与Wi-Fi 7标准的快速普及，现代笔记本电脑需要同时支持多频段无线通信功能，包括5G新无线电（NR）频段（如3.3–4.2 GHz的n77/n78频段）以及Wi-Fi 7所涵盖的2.4 GHz、5 GHz和6 GHz无线局域网（WLAN）频段。然而，笔记本电脑内部空间极为有限，尤其是屏幕边框宽度通常不超过6 mm，这对天线设计提出了严峻挑战。传统多频天线往往依赖多个分支结构或寄生单元，占用空间大且结构复杂，难以满足轻薄化设备的需求。此外，现有超材料传输线天线多采用多层基板或三维过孔结构，制造成本高且难以集成到终端设备中。因此，开发一种结构紧凑、制造成本低、能覆盖多频段的多模天线成为产业界与学术界的共同追求。

在这一背景下，台湾高雄科技大学计算机与通信工程系的苏绍文（Saou-Wen Su）教授团队在《IEEE Access》上发表了一项创新研究，提出了一种基于超材料传输线结构的多频多模印刷天线。该设计巧妙地将左旋（LH）传输线元件集成到右旋（RH）耦合馈电环天线中，通过周期性加载串联电容和并联电感，在极小尺寸（35 mm × 5.5 mm）下实现了四个谐振模式，分别对应Wi-Fi 7的2.4 GHz、5 GHz、6 GHz频段以及5G NR n77/n78频段。天线采用共面结构，无需过孔或多层基板，非常适合笔记本电脑的批量制造。

研究团队主要采用了以下关键技术方法：首先，通过天线演化分析，从基础耦合馈电环天线出发，逐步加载并联电感（短路条带）以引入ε负（ENG）传输线结构，激发零阶谐振（ZOR）模式；随后，加载串联电容（叉指电容）构建μ负（MNG）传输线，形成复合左右手（CRLH）传输线结构，产生额外谐振模式；最后，通过参数优化（如电容位置d₁、d₂、d₃）调整各模式频率，使其精准覆盖目标频段。天线设计在15英寸显示屏金属边框（203 mm × 349 mm）作为系统接地面的环境下进行仿真与实测，确保了实际应用的可靠性。

天线结构

天线印制在介电常数ε_r=4.4、损耗角正切tanδ=0.024的单层FR4基板上，尺寸仅为5.5 mm × 35 mm，位于笔记本电脑显示屏边框上方的金属框架附近。辐射条带上分布有三个串联电容（C1、C2、C3）和两个并联电感（短路条带），所有元件均在同一层实现共面布局，无需过孔。天线接地部分（绿色区域）通过铜带与设备框架连接，以满足电磁兼容（EMI）要求。

天线演化

通过逐步加载LH元件，研究团队清晰展示了天线从单一RH环天线到多模CRLH结构的发展过程。初始耦合馈电环（天线1）仅产生两个0.5波长环模式（4.28 GHz和6.14 GHz）；加载两个并联电感（天线2）后，在2.16 GHz处激发ZOR模式；添加一个串联电容（天线3）使ZOR频率移至2.98 GHz，并保留5.58 GHz和6.72 GHz环模式；引入第二个电容（天线4）后，在2.30 GHz处新增CRLH谐振模式；最终加载第三个电容（ proposed design）将四个模式频率调整至2.46 GHz（CRLH谐振器）、3.42 GHz（ZOR）、5.52 GHz（低环模式）和7.20 GHz（高环模式），完全覆盖目标频段。

电容位置分析

通过调整三个电容的位置d₁、d₂、d₃，发现d₁主要影响ZOR模式频率，d₂对CRLH谐振器模式有显著作用，d₃则轻微影响两个低频模式。这一分析为天线频率调谐提供了关键依据。

辐射特性

仿真与实测的二维辐射模式（E_total）显示，在2.4 GHz和NR频段天线呈现全向辐射特性，而在5 GHz/6 GHz频段则表现出更强的方向性。不同模式的电流分布与辐射模式高度一致，验证了多模工作的可靠性。

性能验证

实测结果表明，天线在2.4 GHz频段的峰值增益为1.6–2.3 dBi，总效率为46%–67%；在5 GHz/6 GHz频段增益升至4.3–5.8 dBi，效率超过77%；在NR n77/n78频段增益为2.1–2.8 dBi，效率优于70%。尽管2.4 GHz频段效率相对较低，但可通过选用低损耗基板（如Rogers RO4350B）或增加铜厚进一步优化。

本研究成功设计并验证了一款适用于5G NR与Wi-Fi 7笔记本电脑的多频多模印刷天线。该天线通过将超材料传输线结构集成于传统RH环天线中，在极小尺寸下实现了四个谐振模式，覆盖了2.4/5/6 GHz Wi-Fi 7频段与3.3–4.2 GHz 5G NR频段。其共面结构避免了复杂的三维过孔，降低了制造成本，且实测性能满足商用要求。与现有文献相比，该设计在频段数量、结构紧凑性与实用化程度方面均具有明显优势。这项工作不仅为消费电子终端天线设计提供了新思路，也推动了超材料传输线理论在工程实践中的应用，对促进多频段无线通信技术在笔记本电脑中的普及具有重要意义。