微帶天線綜述

1、微帶天線綜述摘要：微帶天線具有結(jié)構(gòu)緊湊、外觀優(yōu)美、體積小重量輕等優(yōu)點(diǎn)，得到廣泛的應(yīng)用。但是，近年來(lái)，隨著個(gè)人通訊和移動(dòng)通訊技術(shù)的迅速發(fā)展，在天線的設(shè)計(jì)上提出了小型化的要求。本文除了對(duì)微帶天線做了基本介紹外，還對(duì)微帶天線最基本的小型化技術(shù)進(jìn)行了探討、分析和歸納。關(guān)鍵詞：微帶天線 小型化 寬頻帶 一、引言隨著全球通信業(yè)務(wù)的迅速發(fā)展，作為未來(lái)個(gè)人通信主要手段的無(wú)線移動(dòng)通信技術(shù)己引起了人們的極大關(guān)注，在整個(gè)無(wú)線通訊系統(tǒng)中，天線是將射頻信號(hào)轉(zhuǎn)化為無(wú)線信號(hào)的關(guān)鍵器件，其性能的優(yōu)良對(duì)無(wú)線通信工程的成敗起到重要作用。快速發(fā)展的移動(dòng)通信系統(tǒng)需要的是小型化、寬頻帶、多功能(多頻段、多極化)、高性能的天線。微帶天線

2、作為天線家祖的重要一員，經(jīng)過(guò)近幾十年的發(fā)展，已經(jīng)取得了可喜的進(jìn)步，在移動(dòng)終端中采用內(nèi)置微帶天線，不但可以減小天線對(duì)于人體的輻射，還可使手機(jī)的外形設(shè)計(jì)多樣化，因此內(nèi)置微帶天線將是未來(lái)手機(jī)天線技術(shù)的發(fā)展方向之一，設(shè)計(jì)出具有小型化的微帶天線不但具有一定的理論價(jià)值而且具有重要的應(yīng)用價(jià)值，這也成為當(dāng)前國(guó)際天線界研究的熱點(diǎn)之一。二、微帶天線2.1微帶天線1的發(fā)展史及種類(lèi)早在1953年G. A. DcDhamps教授就提出利用微帶線的輻射來(lái)制成微帶微波天線的概念。但是，在接下來(lái)的近20年里，對(duì)此只有一些零星的研究。直到1972年，由于微波集成技術(shù)的發(fā)展和空間技術(shù)對(duì)低剖面天線的迫切需求，芒森(REMunson

3、)和豪威爾(JQHowell)等研究者制成了第一批實(shí)用的微帶天線1。隨之，國(guó)際上展開(kāi)了對(duì)微帶天線的廣泛研究和應(yīng)用。1979年在美國(guó)新墨西哥州大學(xué)舉行了微帶天線的專(zhuān)題目際會(huì)議，1981年IEEE天線與傳播會(huì)刊在1月號(hào)上刊載了微帶天線專(zhuān)輯。至此，微帶天線已形成為天線領(lǐng)域中的一個(gè)專(zhuān)門(mén)分支，兩本微帶天線專(zhuān)輯也相繼問(wèn)世。80年代中，微帶天線無(wú)論在理論與應(yīng)用的深度上和廣度上都獲得了進(jìn)一步的發(fā)展；今天，這一新型天線已趨于成熟，其應(yīng)用正在與日俱增。微帶天線也可看作是一種縫隙天線。其典型結(jié)構(gòu)2,3如圖2.1所示。（a）微帶貼片天線 （b）微帶振子天線（c）微帶行波天線 （d）微帶縫隙天線圖2.1 微帶天線的典型

4、結(jié)構(gòu)通常介質(zhì)基片的厚度與波長(zhǎng)相比是很小的，因而它實(shí)現(xiàn)了一維小型化，屬于電小天線的一類(lèi)。另外，隨著技術(shù)的進(jìn)步，現(xiàn)在許多手機(jī)天線都是采用曲折線型的微帶天線實(shí)現(xiàn)了手機(jī)天線的小型化。 由各種微帶輻射單元可構(gòu)成多種多樣的陣列天線，如微帶貼片陣天線，微帶振子陣天線，等等。2.1.1微帶貼片天線微帶貼片天線的最基本的結(jié)構(gòu)模型便是薄的介質(zhì)基片加其兩側(cè)的微帶貼片和地板，其典型結(jié)構(gòu)如圖2.1(a)所示。它通過(guò)貼片和地板上的電流或等效為貼片四周與地板之間的縫隙上分布的等效磁流來(lái)輻射能量。2.1.2微帶振子天線 圖2-2給出了一種利用微帶線來(lái)進(jìn)行耦合饋電的微帶振子天線，微帶振子的長(zhǎng)度約為半個(gè)波長(zhǎng)，寬度與微帶饋線的寬度

5、相同。微帶振子與其下方的微帶饋線有一部分相互交疊從而耦合能量，調(diào)整此交疊部分的面積從而改變饋線與微帶振子的耦合量便可以調(diào)整天線諧振時(shí)的輸入阻抗。對(duì)于此微帶振子天線，我們也可以將饋線變化為槽線。此外，還可以將微帶振子彎折以構(gòu)成微帶折合振子從而減小天線的尺寸。圖2-2 電磁耦合饋電的微帶振子天線2.1.3微帶行波天線微帶線形天線是利用微帶線的形變（如彎曲、拐角等），由微帶線的不連續(xù)點(diǎn)或彎曲點(diǎn)來(lái)形成輻射。它們一般都端接匹配負(fù)載，沿線傳輸行波，故又被稱(chēng)為微帶行波天線，其波瓣可以指向從端射到邊射的任一方向。圖2-3給出了幾種常見(jiàn)的微帶線型天線結(jié)構(gòu)。與行波天線相對(duì)應(yīng)的是微帶駐波天線，其終端一般為開(kāi)路或短路

6、，波瓣一般指向邊射方向。 （a）三角線 （b）彎角線 （c）鏈?zhǔn)骄€ （d）城墻線 圖2-2 幾種常見(jiàn)的微帶線型天線形式圖2-3幾種常見(jiàn)的微帶線型天線結(jié)構(gòu)5,6三、微帶天線的小型化技術(shù)天線作為無(wú)線收發(fā)系統(tǒng)的一部分，其性能的優(yōu)劣對(duì)整個(gè)系統(tǒng)的性能有著重要的影響。微帶天線帶寬相對(duì)較窄，通常低于3%，而無(wú)線通信技術(shù)的發(fā)展，特別是高速數(shù)據(jù)傳輸系統(tǒng)以及軍用寬帶無(wú)線系統(tǒng)的發(fā)展，要求天線具有更高的帶寬。同時(shí)在隨著電路集成度的提高，系統(tǒng)對(duì)天線的體積有著更高的要求，尤其是一些軍用和民用的領(lǐng)域，如導(dǎo)彈制導(dǎo)系統(tǒng)和手機(jī)等等，物理空間的限制成為系統(tǒng)設(shè)計(jì)必須考慮的重要因素。此外隨著天線尺寸的減小，天線效率會(huì)顯著降低，帶寬也會(huì)

7、隨之變窄。如何在天線帶寬等性能受尺寸限制的情況下，設(shè)計(jì)出寬帶小型化的微帶天線是近年出現(xiàn)的一個(gè)熱門(mén)課題。當(dāng)然優(yōu)化微帶天線設(shè)計(jì)方法的探討有著重要的意義。3.1 天線加載在微帶天線上加載短路探針 4 ，通過(guò)與饋點(diǎn)接近的短路探針在諧振空腔中引入耦合電容以實(shí)現(xiàn)小型化，典型結(jié)構(gòu)如圖3.1 所示。其缺點(diǎn)是: (1) 阻抗匹配極大地依賴(lài)于短路探針的位置及其與饋電點(diǎn)的距離，往往需要饋電點(diǎn)的精確定位和十分微小的，這給制造公差提出了苛刻要求。(2) 帶寬窄。(3) H 面的交叉極化電平相對(duì)較高。將短路探針替換為低阻抗的切片電阻(chip resistor) ，在進(jìn)一步降低諧振頻率的同時(shí)還可增加帶寬。圖3.1 加載短

8、路探針的微帶天線3.2 采用特殊材料基片從天線諧振頻率關(guān)系式可以知道，諧振頻率與介質(zhì)參數(shù)成反比，因此采用高介電常數(shù)(如陶瓷材料) 或高磁導(dǎo)率(如磁性材料) 的基片可降低諧振頻率，從而減小天線尺寸。這類(lèi)高介質(zhì)天線的主要缺陷是: (a) 激勵(lì)出較強(qiáng)的表面波，表面損耗較大，使增益減小，效率降低。(b) 帶寬窄。為提高增益，常在天線表面覆蓋介質(zhì)(如圖3.2 所示) 。圖3.2 采用高 的多層介質(zhì)微帶天線3.3 表面開(kāi)槽（slot）5當(dāng)在貼片表面開(kāi)不同形式的槽或細(xì)縫時(shí)(如圖3.3 所示) ，切斷了原先的表面電流路徑，使電流繞槽邊曲折流過(guò)而路徑變長(zhǎng)，在天線等效電路中相當(dāng)于引入了級(jí)聯(lián)電感。由于槽很窄，它可模

9、擬為在貼片中插入一無(wú)限薄的橫向磁壁。選擇適當(dāng)?shù)牟蹚亩刂瀑N片表面電流以激勵(lì)相位差90的極化簡(jiǎn)并模，還可形成圓極化輻射，以及實(shí)現(xiàn)雙頻工作。圖3.4 為表面開(kāi)槽的口徑耦合饋電的小型圓極化貼片天線。圖3.3 表面開(kāi)槽的小型化微帶天線 圖3.4 小型口徑耦合圓極化微帶這類(lèi)天線結(jié)構(gòu)簡(jiǎn)單，成本低廉，加工方便，其特點(diǎn)是:隨槽的長(zhǎng)度增加，天線諧振頻率降低，天線尺寸減小，但尺寸的過(guò)分縮減會(huì)引起性能的急劇劣化，其中帶寬(一般約為1 %) 與增益尤為明顯，而方向性影響不大。如何破除增益和帶寬這兩個(gè)限制，開(kāi)發(fā)實(shí)用化、易調(diào)諧的此類(lèi)天線尚待深入研究。3.4 附加有源網(wǎng)絡(luò)縮小無(wú)源天線的尺寸，會(huì)導(dǎo)致輻射電阻減小，效率降低?？?/p>

10、利用有源網(wǎng)絡(luò)的放大作用及阻抗補(bǔ)償技術(shù)彌補(bǔ)由于天線尺寸縮小引起的指標(biāo)下降。有源天線具有以下良好特性: (1) 工作頻帶寬。利用有源網(wǎng)絡(luò)的高輸出阻抗、低輸入阻抗，天線帶寬高低端頻比可達(dá)2030 。(2) 增益高(可達(dá)10dB 以上) ，方向性好。(3) 便于實(shí)現(xiàn)阻抗匹配。(4) 易實(shí)施天線方向圖，包括主波方向、寬度、前后輻射比等的電控。(5) 有源天線陣具有單元間弱互耦的潛在性能。但有源天線需考慮噪聲及非線性失真問(wèn)題。3.5 采用特殊形式這些方法總的思路是使貼片的等效長(zhǎng)度大于其物理長(zhǎng)度，以實(shí)現(xiàn)小型化目的。近年來(lái)由于無(wú)線通信的需求，有大量方案提出，如蝶形(bow2tie) (如圖3.5所示) 、倒F

11、 型( PIFA ，planar inverted2F antenna)(如圖3.6 所示) 、L 形、E 形、Y 形、雙C 形、層疊短路貼片(stacked shorted patch) 等等。圖3.5 雙頻帶蝶型微帶天線 圖3.6 電容加載的倒F型微帶天線（PIFA）四、結(jié)束語(yǔ)微帶天線由于具有體積小、重量輕、剖面薄、易與飛行器共形、易于加工、易與有源器件和電路集成為單一模塊等諸多優(yōu)點(diǎn)，因而自其誕生以來(lái)就得到社會(huì)各界的廣泛研究與應(yīng)用。通訊產(chǎn)品越來(lái)越小型化，物理空間的限制成為系統(tǒng)設(shè)計(jì)必須考慮的重要因素，因此天線的小型化成為天線設(shè)計(jì)的一個(gè)研究熱點(diǎn)。如何設(shè)計(jì)出具有小型化的微帶天線是當(dāng)前微帶天線設(shè)計(jì)的難點(diǎn)與重點(diǎn)。五、參考文獻(xiàn)1 G. A. Deschamps, Microstrip microwave antennas”, USAF Symp. on Antennas, 1953.2 鐘順時(shí), 微帶天線理論與應(yīng)用, 西安電子科技大學(xué)出版社, 19913 張鈞, 劉克誠(chéng)等, 微帶天線理論與工程, 國(guó)防工業(yè)出版社, 19884 R. Porath, “Theory of miniaturized shorting-post microstrip antennas”. IEEE Trans. Antennas Propagat , vol