寬頻帶小型化天線的研究

1、鄭州大學(xué)寬頻帶小型化天線的研究專 業(yè)：電子信息工程1學(xué)生姓名：蘭廣哲1完成時(shí)間：2016年1月4 口第一章緒論31.1課題研究的背景和意義31.2國內(nèi)外研究現(xiàn)狀及主要研究方法概述41.2.1天線的小型化技術(shù)41.2.2 夭線的寬頻帶技術(shù)81.3本文的研究內(nèi)容以及創(chuàng)新性9第二章微帶天線的小型化多頻寬帶技術(shù)112微帶天線的小型化技術(shù)112.1.1 概述112.1.1增加介電常數(shù)112.1.3加載技術(shù)122.1.4曲流技術(shù)132.1.5 采用 pif,pil 結(jié)構(gòu)142.2微帶天線的寬頻帶技術(shù)152.2.1 概述152.2.2選擇合適的介質(zhì)基片與貼片152.23阻抗匹配技術(shù)152.2.4電阻性加載技

2、術(shù)162.2.5多模技術(shù)172.2.6在貼片或接地板上“開窗”的辦法172.3微帶天線的多頻技術(shù)182.3.1 概述182.3.2探針加載的雙頻天線192.3.3裂縫加載的雙頻天線192.4木章小結(jié)20第三章雙頻微帶小型化寬頻帶天線213.1平面單極子微帶天線理論213.2平面單極天線213.3開槽平面單極天線223.4開兩槽平面單極天線253.5小結(jié)30第四章集總加載的小型化寬頻帶共口徑天線314.1 集總加載線天線的基本原理314.1.1集總加載線天線上電流分布的海倫積分方程314.2 小型化寬頻帶共口徑天線32結(jié)論35第一章緒論1.1課題研究的背景和意義隨著信息科技的發(fā)展，以現(xiàn)代無線通信

3、、衛(wèi)星通信、艦船通信以及雷達(dá)隱少為代表的各 種軍用以及民用電子設(shè)備都在朝著小型化與微型化方向發(fā)展，各種無線傳遞方式對(duì)電子技術(shù) 的應(yīng)用提出了越來越高的要求。尤其是在一些軍用特殊領(lǐng)域，如引信、制導(dǎo)系統(tǒng)，物理空間 的限制成為系統(tǒng)設(shè)計(jì)必須考慮的重耍因素。天線作為通信設(shè)備中的前端部件，對(duì)通信質(zhì)量起 著至關(guān)重要的作用，傳統(tǒng)的天線形式和功能在一定程度上不能跟上電子器件小型化發(fā)展的需 求，現(xiàn)代無線通信系統(tǒng)要求天線向小尺寸、寬頻帶、高效率、大容量、易安裝、多功能等方 向不斷發(fā)展。在飛行器隱身應(yīng)用領(lǐng)域，當(dāng)飛行體本身的雷達(dá)散射截面減小后，具有小型化、 高效率和低rcs特性的天線設(shè)計(jì)將口益成為飛行器電磁隱身技術(shù)研究和

4、開發(fā)中備受關(guān)注的 對(duì)彖。微帶天線和印刷貼片天線具有體積小、重量輕、低剖而、易與飛行器共形、以及易于與 有源器件和微波電路集成的特點(diǎn)，目前廣泛應(yīng)用于雷達(dá)、衛(wèi)星通信、移動(dòng)通信、以及各種無 線通信設(shè)備當(dāng)中。但微帶天線本身具有高品質(zhì)因數(shù)、窄頻帶、低效率等缺點(diǎn)，人人限制了它 們的應(yīng)川，特別是高速數(shù)據(jù)傳輸系統(tǒng)以及軍用寬帶無線系統(tǒng)的發(fā)展，要求天線具冇更高的帶 寬。如何改善它們的缺點(diǎn)，充分利用它們的優(yōu)點(diǎn)已成為冃前通信領(lǐng)域里重要的研究課題。為 了捉髙無線通信收發(fā)系統(tǒng)的工作性能和工作效率，寬頻帶、多頻帶小天線的研究和開發(fā)日益 成為天線研究領(lǐng)域小一個(gè)很重要的課題。開展對(duì)天線小型化、寬頻帶特性的設(shè)計(jì)研究具有以 下兒個(gè)

5、方面的重要意義：1）隨著大規(guī)模集成電路與空間技術(shù)的發(fā)展，各種電了設(shè)備都在朝著小型化與微型化方 向研制，這使得天線往往成為系統(tǒng)屮最笨重的部件而顯露出來，因此要求研制岀能與小型化 設(shè)備相適應(yīng)的各種小天線。2）為適應(yīng)空氣動(dòng)力學(xué)的要求，比如要求有低的空氣阻力，在高速運(yùn)動(dòng)的載體上，要求天 線和載體表面共形，這對(duì)電磁學(xué)及天線提出了相應(yīng)的技術(shù)問題，即要求天線的小型化和低輪 廓。3）在飛行器隱身應(yīng)用領(lǐng)域，對(duì)雷達(dá)散射截面（rcs）的不斷縮減一直是國內(nèi)外眾多學(xué)者 研究的熱點(diǎn)1-12o當(dāng)e行體本身rcs減小后，e行器自身的天線的反射問題將fi益突出， 并成為所有反射的主體z。具有小型化、高效率和低rcs特性的天線在

6、飛行器電磁隱身 技術(shù)研究中具有重要的應(yīng)用價(jià)值。4）電視、廣播、通信等業(yè)務(wù)，需要高質(zhì)量地傳輸語言、文字、圖像、數(shù)據(jù)等重耍信息, 這耍求包括天線在內(nèi)的整個(gè)通信系統(tǒng)的寬頻帶和鬲效率。綜上所述，開展對(duì)天線小型化設(shè)計(jì)和寬頻帶特性的研究不僅意義重大，而r任務(wù)艱巨, 必須從理論和實(shí)驗(yàn)兩方面來全面認(rèn)識(shí)小天線隨不同參量的變化規(guī)律。對(duì)于一個(gè)理想的小天線 設(shè)計(jì)，應(yīng)能夠?qū)⒖赡苁固炀€性能變壞的任何因素降到最低程度。天線小型化和寬頻帶特性的 研究是時(shí)代發(fā)展的新要求，是現(xiàn)代通信領(lǐng)域的前沿課題。利川天線周圍的環(huán)境等是實(shí)現(xiàn)天線 小型化設(shè)計(jì)的主要手段，這些技術(shù)已在天線工程特別在移動(dòng)通信領(lǐng)域中得到了廣泛應(yīng)用 13-26o其中最為感

7、興趣的問題可能是將這些技術(shù)結(jié)合在一起用于天線的設(shè)計(jì)。1.2國內(nèi)外研究現(xiàn)狀及主要研究方法概述縱觀國內(nèi)外研究現(xiàn)狀，犬線小型化和寬頻帶特性問題的研究涉及面很寬。在很多情況卜, 天線小型化和寬頻帶技術(shù)綜合應(yīng)用，使二者互相補(bǔ)充。為此，國內(nèi)外很多研究人員在這方而 進(jìn)行了大雖的研究工作，同時(shí)也積累了很多冇用的經(jīng)驗(yàn)和技術(shù)。忖前，天線小型化和寬頻 帶的技術(shù)主要有以下方面。1.2.1天線的小型化技術(shù)1.2.1.1加載技術(shù)用包括導(dǎo)體在內(nèi)的集總元件、高介電常數(shù)材料對(duì)天線加載，以及釆用接地平板和利用天 線周圍的環(huán)境等是實(shí)現(xiàn)天線小型化設(shè)計(jì)的主要手段，這些技術(shù)已在天線工程特別在移動(dòng)通信 領(lǐng)域屮得到了廣泛應(yīng)川13-26o具屮

8、最為感興趣的問題町能是將這些技術(shù)結(jié)合在一起川于犬 線的設(shè)計(jì)。1) 無源集總元件的加載是最為直接和最為簡單的加載技術(shù)19-20,22-23, 26,也是工程 屮最為普遍采用的方法?？赏ㄟ^在天線的適當(dāng)位置接入電阻、電抗或?qū)w來構(gòu)建。由于天線 長度遠(yuǎn)小于半波長時(shí)將呈現(xiàn)出很強(qiáng)的電抗性輸入肌抗，加載可以對(duì)英進(jìn)行補(bǔ)償，改善天線中 的電流分布，從而達(dá)到改變大線的諧振頻率或者在同樣的工作頻率卜降低犬線的高度以及改 變天線的輻射方向圖等目的。但如果加載的元器件是有耗的，則將使天線的輻射效率降低。 圖1.1是文獻(xiàn)26釆用的電容和電感共同加載的平面倒“f”天線(pifa),由于加載電容和加 載電感可使pifa的諧振

9、電長度分別具有加長和縮短的效應(yīng)，通過加載、短路技術(shù)以及通過 調(diào)整天線的參數(shù)和lc參數(shù)，該天線可工作在雙頻段。圖1.1采用電容，電感加載的pifafig.1.1 pifa antenna witli lc load2) 利用短路技術(shù)來減小天線尺寸非常常見16,21,24-250在微帶天線上加載短路探針, 通過與饋點(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。圖1.2是采用短路針 技術(shù)的小型化微帶犬線，這種情況類似折疊單極子的特性，諧振電長度得到了縮減。short feed. / / / / /圖1.2采用短路針技術(shù)的小型化微帯大線匸而和側(cè)而圖fig. 1.2 top and profil

10、e stnicture of small microstrip antenna with short3）用不同的材料對(duì)天線進(jìn)行加載同樣可以達(dá)到減小天線尺寸的目的14,18。當(dāng)天線置 于高介電常數(shù)的材料中時(shí)，由于波氏在介質(zhì)中變短，因而天線所需要的諧振長度變短。長度 縮減的程度取決于介質(zhì)的形狀和介電常數(shù)的人小。但是介質(zhì)加載將會(huì)導(dǎo)致頻率帶寬的減小, 這是山于電場(chǎng)能量更多地集中在介質(zhì)內(nèi)部而難以輻射岀去，使q值增加的緣故。而口高的 介質(zhì)常數(shù)往往伴有高的介質(zhì)損耗，這會(huì)降低大線的效率。另外川介質(zhì)涂敷犬線也是降低犬線 高度的一條有效途徑，這方面有相當(dāng)?shù)睦碚撆c實(shí)驗(yàn)的研究。圖1.3是采用高介電常數(shù)的小 型化微帶天

11、線。圖1.3采用胡介電常數(shù)的小型化微帶天線letfri和側(cè)面圖fig.1.3 top and profile structure of small microstrip antennawitli high pennittivity substi ate4）天線小型化的另一種常用的方法是添加接地板，利用金屬導(dǎo)體的鏡像效應(yīng)，可使天 線的尺寸減小一半。以偶極子為例，當(dāng)其處于諧振狀態(tài)時(shí)，其長度大約是半個(gè)波長，而采用 單極了并將其放在具有一定人小的金屬平血上方時(shí)，由于鏡像效應(yīng)，將產(chǎn)生虛擬的另一單極 了，其總的效果仍使天線處于諧振狀態(tài)，但天線的高度差不多只盂要原來的一半。這種鏡像 效應(yīng)很容易推廣應(yīng)用到平面

12、結(jié)構(gòu)的天線，通過添加對(duì)地的愆路板，使天線的尺寸減小 16,21,24。5）在低頻段，比如短波犬線，由于工作的頻率很低，所需要正常工作的天線長度勢(shì)必很大，因此天線尺寸縮減問題的研究顯得尤為迫切。這時(shí)通過加載技術(shù)是實(shí)現(xiàn)天線高度的最 有效的途徑。采用阻抗、電容混合加載、電容、電感混合加載或者阻抗、電容、電感混合加 載得到了一定的研究27,特別是采用分段式加載技術(shù)，可使天線高度縮小到相當(dāng)可觀的程 度。1.2.1.2采用特殊材料基片這種方法主要是針對(duì)微帶、印刷天線的小型化進(jìn)行設(shè)計(jì)的。微帶、印刷天線由于其白身 的優(yōu)點(diǎn)而廣泛應(yīng)用于無線通信終端中，但是帶寬窄限制了其應(yīng)用。一般微帶天線帶寬只有百 分之兒，但在實(shí)

13、際應(yīng)用中，往往急需帶寬大于10%或15%的小天線。所以，研究體積小， 頻帶寬（人于10%）的大線將必然成為犬線領(lǐng)域屮的一個(gè)很重的課題。微帶犬線介質(zhì)基片 的厚度與波長相比是很小的，因而它木身就實(shí)現(xiàn)了一維小型化，屬于電小天線一類。天線諧 振頻率與介質(zhì)參數(shù)成反比，采用高介電常數(shù)（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2835這類天線的主要缺陷是：（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)。采川鐵氧體材料制成的微帶大線實(shí)現(xiàn)小型化的同時(shí)，且在較寬頻帶范圍內(nèi)頻率可 調(diào)（可達(dá)40 %）,但鐵氧體在微波頻

14、段損耗很大。有機(jī)高分子磁性材料在很寬溫度范圍內(nèi)電 感和磁性能穩(wěn)定，由其設(shè)計(jì)成的微帶天線可顯著減小尺寸，但損耗大，增益低。高溫超導(dǎo) 材料（hts-high temperature superconductor）基片以及“光子帶隙陣 ”（pbg-photonic bandgap） 基片有極低的表面電阻，能有效抑制表面波，減小表血損耗，解除了用較厚基片的限制， 具有提高天線增益，減弱陣元間互耦z功效。1.2.1.3采用特殊形式，優(yōu)化天線的外形結(jié)構(gòu)實(shí)現(xiàn)小型化總的思路是使貼片的等效氏度大于英物理長度，以實(shí)現(xiàn)小型化忖的。近年來 由于無線通信的需求，有大量方案提出，如層疊短路貼片（stacked short

15、ed patch）36,蝶形18、 倒f型26,37-42、l形43-46 e形47-50等等。近年來，用分形曲線來構(gòu)建天線是特別熱門 的小型化技術(shù)51-60 o圖1.4蝶形微帶天線圖1.5倒l型天線fig.1.5 inveit-l antennafig. 1.4 buttei-fly shape microsti ip antenna圖1.6倒f型天線fig. 1.6 inveil-f antenna圖1.7e型天線fig.1.7 e-shape antenna圖1.9分形樹fig.l.9 fractal tiee圖1.8 koch i山線fig.l. 8 koch cuive圖 1.11

16、koch 島fig.l.11 koch island圖1.10 koch雪花fig.l. 10 koch snowflake圖 1.12 s ierpinski墊片fig.1.12 sierpinski mat圖 1.13 sieipinski地毯fig.1.13 sieipinski caipet1.2.2天線的寬頻帶技術(shù)1.2.2.1縫隙以及耦合技術(shù)實(shí)現(xiàn)寬頻帶和多頻帶的思路是在貼片或者接地板上開一些縫隙，以降低天線的品質(zhì)因數(shù), 從而提高犬線的阻抗帶寬。多頻犬線的最大優(yōu)點(diǎn)就在于在一個(gè)輻射單元上實(shí)線多個(gè)犬線的工 作性能，這就人人簡化了收發(fā)終端輻射系統(tǒng)的設(shè)計(jì)，在小型化無線通信設(shè)備屮，這一點(diǎn)尤其

17、顯得重要。通常采用的方法是采用在貼片上刻蝕縫隙61-70以及使用通過改進(jìn)耦介饋電 62,71-72o如在各種形狀的貼片上刻蝕成對(duì)的縫隙就獲得了較好的雙頻、雙極化的工作性 能73o另外在貼片的中心線上適當(dāng)位置增加短路針，并且在中線上選取適當(dāng)?shù)酿侂娢恢茫?也可以獲得雙頻工作性能74。對(duì)于使用厚空氣層介質(zhì)的天線，由于使用同軸饋電而引入較 人的同軸感抗效應(yīng)，從而影響天線的帶寬。針對(duì)這個(gè)問題，又出現(xiàn)了很多的解決辦法。諸如 u型縫隙技術(shù)75-80,改進(jìn)的同軸饋電技術(shù)（l探針技術(shù)和l狀微帶線饋電81-82,縫 隙耦合饋電83-84）等等。運(yùn)用以上這些技術(shù)，天線的帶寬可以得到一定的增加。圖1.14雙縫隙微帶天

18、線fig.1.14 microstrip antenna witli two slots1.2.2.2利用寬帶匹配網(wǎng)絡(luò)實(shí)現(xiàn)天線小型化和寬頻帶特性無線通信設(shè)備的天線系統(tǒng)，一般都包括天線和饋電線兩個(gè)部分，稱之為天饋系統(tǒng)。天饋 系統(tǒng)的寬頻帶性能既収決于天線自身的性能也取決于饋電系統(tǒng)，以及天線與饋電系統(tǒng)之間的 耦合與匹配狀況。因此,在研究天線的寬頻帶特性時(shí)，必須同時(shí)考慮寬頻帶的匹配技術(shù)85-90o 天饋系統(tǒng)通常包含兩方而內(nèi)容，一是完成不對(duì)稱饋線（如同軸線）對(duì)對(duì)稱天線的饋電，以保證 系統(tǒng)的平衡性。二是阻抗變換，使饋線與天線有良好的阻抗匹配。寬帶匹配所要解決的是一 個(gè)系統(tǒng)屮的功率傳輸問題，要求信號(hào)源為負(fù)載

19、z間盡可能地匹配，使信號(hào)源傳給負(fù)載的功率 在給定的頻帶內(nèi)保持相對(duì)穩(wěn)定，并且盡可能達(dá)到最大。天饋系統(tǒng)中常用的是集總參數(shù)匹配網(wǎng) 絡(luò)，主要是無源的，由電抗元件組成t形、l形、形網(wǎng)絡(luò)等。這種匹配網(wǎng)絡(luò)的主要優(yōu)點(diǎn)是 體積小、設(shè)計(jì)靈活、使用方便等。當(dāng)無源天線的尺寸縮小示，會(huì)導(dǎo)致輻射電阻減小，效率降 低。為此，利用冇源網(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 90,在天線小型化和寬帶技術(shù)上有重要的意義。有源天線具有以下良好特ft: （1）工作頻帶 寬。利川冇源網(wǎng)絡(luò)的高輸出阻抗、低輸入阻抗，天線帶寬高低端頻比町達(dá)20-30； 增益高何 達(dá)10db以上），方向性好；（3）便于實(shí)現(xiàn)阻抗匹配；（

20、4）易實(shí)施大線方向圖，包括主波束方向、 波束寬度、両后輻射比等的電控；（5）有源天線陣貝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題。上述小型化和寬帶技術(shù)主要應(yīng)用在微波通信以及低于微波頻段通信的天線設(shè)計(jì)屮，而很 少應(yīng)用在高頻段亳米波通信技術(shù)中，同時(shí)，這些技術(shù)措施都是針對(duì)單個(gè)天線設(shè)計(jì)的，沒有考 慮現(xiàn)代無線通信多天線集成系統(tǒng)的內(nèi)部選擇控制開關(guān)特性在小型化設(shè)計(jì)中的優(yōu)點(diǎn)。木文針對(duì)微帶天線和印刷貼片天線自身的特點(diǎn)，總結(jié)前人研究的優(yōu)缺點(diǎn)，對(duì)微帶天線、 印刷貼片天線的寬頻帶、多頻帶和小型化特性進(jìn)行了研究。1.3本文的研究內(nèi)容以及創(chuàng)新性本文通過多犬線構(gòu)建方式、毫米波通信技術(shù)的優(yōu)勢(shì)、ebg技

21、術(shù)在rcs減縮技術(shù)屮的應(yīng) 用以及天線可重構(gòu)等技術(shù)，構(gòu)建了與現(xiàn)代通信相適應(yīng)的小型化、寬頻帶以及圓極化天線系統(tǒng) 結(jié)構(gòu) 具體內(nèi)容主要有以下方面：笫一章対天線小型化，寬頻帶技術(shù)的背景和意義、國內(nèi)外發(fā)展現(xiàn)狀以及主要技術(shù)進(jìn)行 了概述，并簡單介紹了本文的研究內(nèi)容。第二章集屮對(duì)木文所用的數(shù)值方法的理論進(jìn)行了分析和闡述。主要有有限積分方法， 時(shí)域冇限差分方法，短量法和粒了群優(yōu)化算法。重點(diǎn)提出了粒了群優(yōu)化算法與cst微波工 作室相結(jié)合的優(yōu)化設(shè)計(jì)在天線設(shè)計(jì)中的應(yīng)用思想。笫三章通過采用新型的天線結(jié)構(gòu)構(gòu)建方式，充分利用現(xiàn)有wlan芯片支持的開關(guān)控制 電路技術(shù)，本文設(shè)計(jì)了滿足ieee 802.11a/b/g wlan工作

22、頻率要求的微帶犬線和印刷電路多 天線選擇系統(tǒng)。通過在一個(gè)介質(zhì)基板上正交卬制多天線單元，設(shè)計(jì)的多天線選擇系統(tǒng)具有極 化選樣和極化分集的特性，達(dá)到滿足現(xiàn)代無線通信小型化、多頻帶、高效率、無盲區(qū)通信的 要求。笫四章為了設(shè)計(jì)寬頻帶毫米波天線以及實(shí)現(xiàn)毫米波通信系統(tǒng)對(duì)高增益和闘極化天線的 需求，本文利用毫米波通信技術(shù)的優(yōu)勢(shì)，應(yīng)川粒子群優(yōu)化算法和有限時(shí)域積分?jǐn)?shù)值方法相結(jié) 合的優(yōu)化技術(shù)，優(yōu)化設(shè)計(jì)了工作在毫米波頻段的小型化、寬頻帶微帶單天線以及高增益的圓 極化陣列天線。第五章為了克服現(xiàn)侑微帶天線rcs減縮技術(shù)屮的不足和缺陷，木文通過應(yīng)用共面緊湊 型電磁帶隙（uc-ebg）的電磁帶隙特性并將其應(yīng)用于微帶天線的接地

23、結(jié)構(gòu)當(dāng)中，設(shè)計(jì)工作 在x波段的低rcs微帶犬線。犬線設(shè)計(jì)的目的是在2-18ghz頻帶范圍內(nèi)，使犬線的rcs 在工作頻段外的很寬的頻段上具冇顯著減縮效果，同時(shí)天線在工作頻帶內(nèi)的增益、帶寬以及 方向圖都能得到很好的改善和提高，達(dá)到天線小型化和高效率的u的，以滿足隱身飛行器的 電磁隱身應(yīng)用要求。第六章研究了町重構(gòu)微帶天線在天線小型化技術(shù)中的應(yīng)用，并設(shè)計(jì)了具有mems開 關(guān)控制特性的寬頻帶、圓極化可重構(gòu)的毫米波微帶天線。第七章 對(duì)本論文的研究內(nèi)容進(jìn)行了總結(jié)，并對(duì)犬線小型化，寬頻帶技術(shù)進(jìn)行了展望。第二章微帶天線的小型化多頻寬帶技術(shù)2.1微帶天線的小型化技術(shù)2.1.1概述眾所周知，天線的最大帶寬和增益決定

24、于它的尺寸，減小天線尺寸會(huì)使天線的效率下降， 帶寬變窄。在減小天線尺寸的同時(shí)，為了使天線實(shí)際可用,r天線輸入端口駐波比滿足要求在 天線與負(fù)載z間的匹配是十分重要的。為了獲得良好的匹配，有效的方法之一是實(shí)現(xiàn)天線的 自諧振”即在天線的諧振工作頻率上使天線的輸入阻抗呈純電阻性。此時(shí)天線就可以很容易 通過傳輸線匹配到通常是純阻性的負(fù)載上如貝系統(tǒng)，而不礙耍冇共扼匹配電路。如果使川共 扼匹配電路，電路中的感性或者容性部分會(huì)儲(chǔ)存部分能量川u電路的損耗會(huì)使天線的效率明顯 降低。由于個(gè)人通信系統(tǒng)的發(fā)展，各種通信終端天線的需求持續(xù)增加。手機(jī)、藍(lán)牙、無線局域 網(wǎng)等終端對(duì)天線的小型化和緊湊性侑很高的要求，在這些應(yīng)用屮

25、，小尺寸的天線是十分必要的。通常所說的小型天線可分為以下四類電小天線、物理受限小天線,物理小天線以及功能 小天線，本文所討論的小天線是電小天線。電小天線是指尺寸比工作波長短的天線，曾將它定 義為小于半徑為兄的圓球體的天線，一般最大尺寸小于兄就可看作電小天線，例如偶極子天線 等。天線的小型化是指在固定的工作頻率上減小微帶天線的尺寸。隨著移動(dòng)通信的迅速發(fā)展， 針對(duì)不同的小型天線如線天線、平面倒型天線、介質(zhì)振蕩器天線、縫隙天線、螺旋天線以及 印刷微帶犬線等有不同的小型化的方法。卜面簡要探討一下微帶貼片犬線小型化的具體方法, 包括增加介電常數(shù)、加載、曲流、采用平而倒以及平而倒結(jié)構(gòu)等。2丄2增加介電常數(shù)

26、通常的微帶天線白一個(gè)半波輻射結(jié)構(gòu),基木的t作模式是了鞏或?；蛄擞?。以矩形微帶 犬線為例，對(duì)于采用薄基片凡的矩形微帶犬線，具諧振頻率可由下式近似得出(3.1)式中。是真空中的光速是矩形貼片的長度是基片材料的相對(duì)介電常數(shù)山式'可以看出,天線諧 振頻率關(guān)與撅成正比，因此對(duì)于一個(gè)固定的工作頻率，采用高介電常數(shù)的基片可以有效降低天 線的尺寸。54.4 mmm 16< 4 h圖3.1采用不同介電常數(shù)基板的gps天線尺寸對(duì)比圖3.1是用于gps接收機(jī)的極化切角微帶天線26, a和b釆用了不同介圖是用丁接收機(jī)的圓極化切角微帶天線,和采用了不同介電常數(shù)的基片材料，天線工作頻 率同樣是。圖所示天線采

27、用的是普通微波介質(zhì)材料乓，二圖所示天線采用的是陶瓷材料二。 犬線采用比犬線更厚的材料是為了保證天線有足夠的圓極化帶寬。從圖屮天線的尺寸可以看出，天線的而積只有天線的，這和式計(jì)算的結(jié)果是一致的。因此 可以說采用稱的陶瓷材料基片代替凡二的普通微波材料基片,在固定的工作頻率上，天線的尺 寸可以縮小。由此町見，采用高介電常數(shù)基片是一種冇效的天線小型化方法，但過高的介電常數(shù)會(huì)導(dǎo)致 犬線效率的降低。2.13加載技術(shù)通過加載可以有效地減小天線的尺寸。對(duì)于半波結(jié)構(gòu)的矩形微帶天線，電流在一個(gè)開路 端和另一個(gè)開路端z間形成駐波，因此兩個(gè)開路端z間冇一條零電位線。如果在零電位線處 對(duì)地短接，就可以形成開路到短路的駐

28、波分布,這樣天線的尺寸就可以減少一半。微帶天線的加載方法主要包括短路加載和電阻加載。對(duì)于短路加載，通常有三種方法加 載短路面、加載短路片以及加載短路銷釘。圖是分別采用三種加載方法的矩形微帶天線結(jié)構(gòu) 示意圖。圖是加載短路面的四分之一波長結(jié)構(gòu)的微帶天線。相對(duì)于半波結(jié)構(gòu)的矩形微帶天線，加 載短路面的微帶犬線長度縮小了一半。圖是加載短路片的微帶犬線，圖是加載短路銷釘?shù)奈?帶天線。這兩種結(jié)構(gòu)比較相似，不同的只是短路結(jié)構(gòu)的寬度有些變化。在文獻(xiàn)中介紹的加載短銷釘圜形微帶天線和矩形微帶天線,其諧振頻率是未加載結(jié)構(gòu)的 近或者說對(duì)于固定的工作頻率,天線的尺寸縮小了。另有文獻(xiàn)介紹的加載短路銷釘?shù)牡冗吶?角形微帶天線

29、尺寸縮小了。這主要是因?yàn)榈冗吶切挝炀€貼片中的零電位點(diǎn)靠近底邊, 而門倒底邊的距離為到底邊對(duì)應(yīng)頂點(diǎn)距離的一半,因此當(dāng)在頂點(diǎn)加載短路銷釘時(shí)，造成的天線 零電位點(diǎn)的偏移比圓形貼片天線和矩形貼片天線的更人，從而導(dǎo)致了更低的諧振頻率。通過加載電阻的方法同樣可以減小天線的尺寸。由于天線在諧振頻率以下呈感性，因此 在同軸饋點(diǎn)附近加載負(fù)載電阻吋,等效于加了個(gè)電容，從而使諧振頻率降低，也就可以減少天 線的尺寸了。這種方法在帶寬和增益的影響方面優(yōu)于介質(zhì)加載的方法。ground planeground plane圖3.2三種短路加載的矩形微帶天線2.1.4曲流技術(shù)微帶天線曲流技術(shù)包括貼片曲流技術(shù)和接地板曲流技

30、術(shù)。貼片曲流技術(shù)是-種通過彎曲 天線貼片表面激勵(lì)電流的路徑的天線小型化技術(shù)。我們知道，在微帶天線的金屬面上,每個(gè)共 振模態(tài)的電流分布都不同。若在相同的共振模態(tài)卜挖入了凹槽，則此凹槽就會(huì)破壞原來共振 模態(tài)的電流路徑，使電流路徑變長，這樣天線的共振波長相對(duì)變大，因此天線的工作頻率隨凹 槽的氏範(fàn)而變化，挖的凹槽愈長相應(yīng)的天線工作頻率降低的也愈多，凹槽挖的愈深頻率降低的 也愈多。利用這種概念就可以控制所需要的工作頻率，設(shè)計(jì)出需要的天線特性。在設(shè)計(jì)具有 凹杷啲天線時(shí)，為了保證天線的特性，凹杷啲寬度不能太尢太大會(huì)影響到天線的輻射場(chǎng)型。在頻寬方面因?yàn)橥谌氚疾鄣脑蛉€的容抗變?nèi)?，變?nèi)说娜菘箷?huì)抵消部分同軸饋入

31、所造 成的感抗，因此天線的頻寬會(huì)比只加短路柱的頻寬稍微加寬。因在微帶天線的金屬而上挖槽 孔，所以會(huì)冇垂直于主激發(fā)面電流的額外電流分布，因此冇凹槽的天線交叉極化增大，導(dǎo)致天 線的輻射效率變差。天線的增益會(huì)因?yàn)檩椛涿娣e的減少而下降,比工作在同頻率下的傳統(tǒng)微 帶天線的增益小很多，而在尋找饋入點(diǎn)及結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)上較復(fù)雜。以矩形微帶貼片天線為例，圖 畫出了開槽后的貼片表而電流分布（。由圖可以看出，在矩形貼片的非輻射邊插入一些細(xì)縫, 天線表而電流就被有效地彎曲，從而使固定尺寸的矩形貼片上電流路徑的有效長度人人增加, 天線的諧振頻率顯著下降。對(duì)于固定的頻率,天線的尺寸可以有效地得到縮小。=4fk >一 i

32、x ff=* i <<=n接地板曲流技術(shù)是通過在接地板上開槽實(shí)現(xiàn) 電流路徑改變的小型化天線技術(shù)。在接地板上開杷i 可以達(dá)到和貼片匕開槽同樣的illi流效果。保持大線 貼片的形狀不變,在地板上開槽，可以引導(dǎo)貼片中的 電流發(fā)生彎曲，從血增加電流路徑的冇效氏度，降低 諧振頻率。同時(shí)，由于地板開槽造成了微帶天線值 的降低，天線的帶寬也會(huì)有相應(yīng)的增加。將加載技術(shù)與曲流技術(shù)靈活地應(yīng)用在一起 以實(shí)現(xiàn)更理想的人線小型化的效果。文獻(xiàn)犯介紹 在圓形微帶貼片同時(shí)釆用開槽和加載短路銷釘?shù)?辦法nj以大大減小天線的尺寸，此天線的尺寸是同 頻率下普通岡形微帶天線尺寸的。215采用piepil結(jié)構(gòu)平而倒天線和平

33、而倒天線可以看作是空氣介質(zhì)的微帶天線。也可以看作是折亞的。和具有小 型、寬頻帶、高效率等特點(diǎn)，是采用厚基片、低介電常數(shù)、短路加載的典型天線，可以實(shí)現(xiàn)天 線的小型化。近來,在無線通訊終端如手機(jī)上得到廣泛應(yīng)用。圖為微帶線饋電的示意圖。當(dāng)天線高度小于凡時(shí)，在凡處冇較強(qiáng)的輻射，也就是說，此時(shí) 的在保持與普通的半波輻射微帶犬線相同的輻射特性的前提卜:可以工作在波長，從而在大線 頻率不變的情況下使天線的結(jié)構(gòu)減小到普通天線的。圖3.4微帶線饋電的pila示意圖2.2微帶天線的寬頻帶技術(shù)2.2.1概述天線的頻帶是指其特性參數(shù)在規(guī)定的容許范圍內(nèi)的頻率范囤。對(duì)線極化微帶天線來說, 通?？紤]的特性參數(shù)是方向圖、增益

34、和阻抗。其小最易受頻率變化影響的是阻抗，也就是說, 線極化微帶天線頻帯主要受其阻抗帯寬限制。對(duì)大多數(shù)微帶天線特別是微帶貼片天線而言, 其主要的缺點(diǎn)便是它的窄頻帶特性。這是由于微帶貼片天線是一種諧振式天線，它的諧振特 性可等效為一個(gè)高并聯(lián)諧振電路。對(duì)于薄微帶天線，其駐波比帶寬不大于的相對(duì)帶寬的計(jì)算公式為因此展寬頻帶的方法可以通過降低值的各種因素去尋找，如增人基片厚度、降低基片相 對(duì)介電常數(shù)等，也可以考慮用附加的匹配措施來實(shí)現(xiàn)。常用的方法包括選擇合適的基片、合 適的貼片形狀、合適的饋電技術(shù)、多模技術(shù)、阻抗匹配以及加載、楔形或階梯形基片、非線 性基片材料、非線性調(diào)整元件、多層結(jié)構(gòu)、在貼片或接地板“開

35、窗”等等。2.2.2選擇合適的介質(zhì)基片與貼片微帶貼片天線的窄頻帶特性是由其高的諧振木性所決定的，也就是說，貯存于天線結(jié)構(gòu)中 的能最比輻射和其它的耗散能最人得多。這意味著，在諧振時(shí)實(shí)現(xiàn)匹配，而當(dāng)頻率偏離諧振時(shí)， 電抗分量急劇變動(dòng)使之失配。當(dāng)微帶天線的一定時(shí)通常為李，其帶寬和品質(zhì)因素成反比，因此 降低天線品質(zhì)因素是改善天線帶寬的根本途徑什。首先,選用厚基片。從物理意義上講，增人基片厚度使頻帶加寬的原因是由于厚度增加， 輻射電導(dǎo)也隨z增大,從而輻射所對(duì)應(yīng)的及總的值下降。該方法雖然容易實(shí)現(xiàn)，但是受到客觀 條件的限制，加大基片的厚度可增加頻帶寬度，但作用有限。而基片過厚會(huì)導(dǎo)致基片厚度與波 長之比過尢引起

36、表面波激勵(lì)，同時(shí)基片厚度增加，重量隨之增加，所占的空間也加大。在一些空 氣動(dòng)力性能及重量不冥苛刻的場(chǎng)合，這種方法還是行之有效的。其次，選用較小或者壽較人的基板。微帶線的等效損耗角正切腸與殆質(zhì)因素成反比，壽越 大,品質(zhì)因索越小，天線帶寬越大。最后,選用非線性的介質(zhì)基片材料，如利用鐵氧體材料的電磁特性和非線性的色散特性可 達(dá)到展寬頻帶的冃的。還可以選川楔形或階梯形基片。由于兩輻射端口處基板厚度不同,使兩個(gè)諧振器經(jīng)階梯 電容禍合產(chǎn)牛雙回路現(xiàn)象，從而導(dǎo)致帶寬展寬。采用階梯形基片的諧振器在二,帶寬可達(dá)采用 楔形基片的諧振器在令,帶寬可達(dá)而一個(gè)厚度相當(dāng)?shù)囊话憔匦挝зN片天線帶寬僅為。通過改變貼片的形狀同樣

37、可以達(dá)到頻帶展寬的目的。一些形狀的貼片與其它形狀的相比 具有低值，和應(yīng)的它們的帶寬就寬。這些貼片包括環(huán)孔、長方形、正方形、正方形環(huán)等。例 如，某壞孔天線丄作在訊么模時(shí),其帶寬比相似尺寸的矩形微帶貼片天線的帶寬增加了倍還多。改變貼片結(jié)構(gòu)還包括采用多貼片、電磁禍合饋電、在貼片或接地板上開槽、在電路屮采 用非線性調(diào)制元件等方法,這些都可以達(dá)到展寬頻帶的冃的。2.2.3阻抗匹配技術(shù)實(shí)際上這并不屬于微帶大線本身的問題，而是饋線的匹配問題。rti于線極化微帶犬線的工作帶寬主要受到其阻抗帶寬的限制，因此采用饋線匹配技術(shù)就能使天線工作在較寬的頻帶 改變阻抗的一種最常見最直接的方法就是在微帶天線的饋電部分使用阻

38、抗匹配網(wǎng)絡(luò),如使用 調(diào)諧短線和波長的變換器等。這些匹配網(wǎng)絡(luò)應(yīng)接在距輻射單元盡可能近的地方，以便獲得較 高的總功率和帶寬。而匹配網(wǎng)絡(luò)中不連續(xù)點(diǎn)的輻射會(huì)使天線的交叉極化特性變差。因此，由 于匹配網(wǎng)絡(luò)的復(fù)雜性和損耗的限制，天線帶寬只能達(dá)到左右。例如和、乞利用無源匹配網(wǎng)絡(luò) 獲得了一的帶寬(，用類似的技術(shù)也己實(shí)現(xiàn)了以上的帶寬，這足以使單個(gè)輻射單元的帶寬覆 蓋兩個(gè)頻段。工作于主膜的矩形或圓形微帶貼片天線，其等效電路可以用一個(gè)諧振回路來描述。在背 饋的情況下，應(yīng)考慮饋電探針的電抗效應(yīng)。當(dāng)基片厚度之禮時(shí)，饋電探針的作川更為顯著當(dāng)' 禮時(shí)，其作用等效于一個(gè)電感，這個(gè)電感與上述并聯(lián)諧振回路相串聯(lián)，形成天線

39、的輸入阻抗。為 了使這個(gè)阻抗與饋線如的饋線在故大的頻帶范圍內(nèi)相匹配，盂要進(jìn)行網(wǎng)絡(luò)綜介，采用計(jì)算機(jī)輔 助方法實(shí)施最優(yōu)設(shè)計(jì)。對(duì)于圓形微帶貼片天線，主要的匹配元件是一個(gè)冷聯(lián)電容，在天線工作 頻率上這個(gè)電容與饋電探針的等效電感近似構(gòu)成串聯(lián)諧振。串聯(lián)諧振回路在諧振頻率附近的 電抗趨于抵消，使之避免了偏離諧振時(shí)電抗的迅速變化因而展寬了頻帶。如圖所示的采用錐形過渡的一種新穎天線，實(shí)驗(yàn)測(cè)得川寸的帶寬約為。探頭饋源與長方形 懸浮貼片間的這種過渡采用懸浮微帶線。該天線和過渡帶不使用任何介電材料，貼片通過一 根金屬或者非金屬桿支撐于其中心處。過渡帶可以是與地面傾斜的等寬度金屬帶，如圖所示, 也可以是與地面垂直的變寬

40、度帶，如圖所示。這兩種方法因?yàn)槠渥冏杩固匦远a(chǎn)生了大的頻 帶展寬。(a)釆用傾斜式3d錐形過渡的懸浮貼片(b)釆用垂直式3d錐形過渡的懸泮貼片圖3.5采用3d錐形過渡的寬帶單層貼片天線2.2.4電阻性加載技術(shù)引入天線損耗是提高天線阻抗帶寬的一種方法。實(shí)踐證明,通過加載片狀電阻、在貼片 上開形槽以及在接地板上開槽等都可以實(shí)現(xiàn)犬線的帶寬展寬，這在文獻(xiàn)【小都有詳細(xì)的論述 以及設(shè)計(jì)實(shí)例。通常的加載微帯天線是通過加載電阻的方法引入歐姆損耗，降低天線的品質(zhì) 因素，從而有效地增加天線的帶寬。-般來說,加載電阻微帶犬線是由加載短路銷釘?shù)奈€演化而來的。將加載的短路 銷釘換成一個(gè)低阻值如。的貼片電阻，這時(shí)天

41、線的諧振頻率和加載銷釘吋的諧振頻率相比兒 乎不變，而天線的帶寬則冇顯著的提高。同時(shí)，由于加載微帶天線引入歐姆損耗，天線的效率和 增益相對(duì)于常規(guī)微帶天線有所降低。通過在矩形微帶貼片上安裝。的片狀電阻證實(shí)了這一點(diǎn)。圖為他們所設(shè)計(jì)的片狀負(fù)載電 阻的加載犬線兒何結(jié)構(gòu)。該犬線的回波損耗帶寬約為無電阻負(fù)載貼片的倍,而貼片的尺寸減小到無負(fù)載貼片的倍。據(jù)估計(jì)，天線增益因電阻性負(fù)載的使用而減少了左右。 加載技術(shù)在實(shí)現(xiàn)天線小型化的同時(shí)還可以實(shí)現(xiàn)天線的寬頻帶。圖3.6采用片狀電阻負(fù)載的寬帶貼片天線的幾何結(jié)構(gòu)2.2.5多模技術(shù)使用多模諧振是設(shè)計(jì)寬帶微帶天線的一項(xiàng)非常成功的技術(shù)。此項(xiàng)技術(shù)的基木設(shè)計(jì)思想是借鑒 了禍合諧振

42、器的基本原理。藕合諧振器一般由兩個(gè)或者更多的諧振器組成，對(duì)它們進(jìn)行參差 調(diào)諧以覆蓋感興趣的頻率范圍，這項(xiàng)技術(shù)己經(jīng)應(yīng)用于各種形狀的微帶天線。在釆用多模技術(shù) 的天線設(shè)計(jì)中，冇的使用了兩個(gè)或者多個(gè)諧振單元，它們的諧振頻率略冇不同，彼此間近距離 禍合,通過控制禍合來捉高帶寬。通過寄牛:藕合實(shí)現(xiàn)寬頻帶的方法很多，常見的有用層疊天線單元捉高帶寬、采用共而寄生單 元展寬帶寬等。典型的層疊貼片微帶天線的立體解析圖見圖所示。在這種雙貼片結(jié)構(gòu)中，冇 許多變量，例如基片厚度試和姚介電常數(shù)凡、和凡貼片中心的偏移貼片尺寸和饋源位置等。 這種結(jié)構(gòu)不僅可以實(shí)現(xiàn)寬頻帶而且可以實(shí)現(xiàn)多頻，不同的應(yīng)用選擇不同的變量。對(duì)雙頻應(yīng)用 而

43、言，兩塊貼片的尺寸由兩個(gè)工作頻率來決定對(duì)寬帶工作而言，則優(yōu)化各種參數(shù)獲得更人帶寬。 研究表明，口徑禍合層耗貼片天線的阻抗帶寬己經(jīng)達(dá)到了，相對(duì)厚一些的基片對(duì)丿應(yīng)于更寬的帶 寬。但結(jié)構(gòu)的不對(duì)稱性會(huì)造成面上的波束傾斜。226在貼片或接地板上“開窗”的辦法在微帶貼片上的不同位置開不同形狀的“窗口”，等效為引入阻抗匹配元件。 因此，在接地板的適當(dāng)位置處“開窗”，可改變微帶天線的輻射條件和阻抗特性, 這些都可能展寬頻帶。板5讎lg （卯心血卻囲網(wǎng)3圖3.7 口徑耦合層疊貼片微帶天線的立體圖在實(shí)際應(yīng)用中，往往是綜合使用以上所述的展寬頻帶的方法。由于微帶天線頻帶的展寬常常 伴隨著天線尺寸的增人，因此限制了微帶

44、天線的應(yīng)用范用。我們希望得到小型寬帶微帶天線, 因此研究如何減小微帶天線的尺寸顯得相當(dāng)重要。例如采用短路桿能大大減小天線尺寸，在 微帯天線的衣面覆蓋一層介質(zhì)也可以減小天線尺寸。若介質(zhì)采用陶瓷材料，可將天線尺寸減 小三分之一以上,若用二氧化擔(dān)則能減小五分之一。一種在相同條件下減小頻率從而相對(duì)減 小尺寸的方法也被提出，這種方法已應(yīng)用于圓極化微帶天線。這種天線綜合考慮了展寬頻帶 和減小尺寸兩個(gè)方而的要求，獲得了一種相對(duì)寬帶的小型圓極化微帶天線。當(dāng)然，另一方帆 在增人微帶天線的帶寬時(shí)也應(yīng)考慮到不應(yīng)使天線過于復(fù)雜，否則將增人天線制造和分析的難 度。另外,在實(shí)際應(yīng)用中往往需要雙頻工作的天線。如果我們能實(shí)現(xiàn)

45、雙頻工作，并每個(gè)頻段 都可以得到較大的帶寬，這種微帶犬線將得到更為廣泛的應(yīng)川。若單單基于展寬頻帶這一點(diǎn) 考慮，可以在上、下兩層貼片中配以恰當(dāng)數(shù)量的電控短路元件，并可能使兩個(gè)頻段銜接起來, 從而獲得復(fù)合雙頻微帶天線，使頻帶展寬。2.3微帶天線的多頻技術(shù)2.3.1概述在移動(dòng)通信領(lǐng)域中,多頻技術(shù)得到了廣泛的應(yīng)用，現(xiàn)在市場(chǎng)上普遍流行的雙頻三頻手機(jī)就是很 好的例證。微帶天線以其體積小、重最輕、可與載體共形以及易于實(shí)現(xiàn)雙頻、多頻工作的 特點(diǎn)使其在這些領(lǐng)域的應(yīng)用具有很大吸引力，出現(xiàn)了雙頻段、雙極化等多功能天線。從實(shí)現(xiàn)雙頻或多頻段工作的貼片結(jié)構(gòu)以及基片等物理結(jié)構(gòu)上來分類，實(shí)現(xiàn)雙頻或者多頻的基 木方式主要有、采

46、用單一貼片利用兒種不同的h然模式如矩形貼片的入么。和丑。、模來實(shí)現(xiàn)雙頻或者多頻 工作。采用單一貼片通過加載或者開杷啲方法改變貼片各種自然模的場(chǎng)分砒進(jìn)而使諧振頻率受到 干擾，最終實(shí)現(xiàn)雙頻或者多頻工作。米用單層基片、多個(gè)貼片的結(jié)構(gòu)如采用諧振頻率不同的貼片形成雙諧振，也可以米用各個(gè)輻 射單元構(gòu)成多頻點(diǎn)諧振的微帶天線等。、采用多層重疊貼片結(jié)構(gòu)如利用多層貼片結(jié)構(gòu)形成多個(gè)諧振器，從而產(chǎn)生多頻段工作特性采用 多層貼片重疊、各口饋電的圓形貼片結(jié)構(gòu)，得到具有雙頻段工作特性的微帶天線等，圖所介紹 的層亞貼片天線就是很好的例了。實(shí)際設(shè)計(jì)的天線在實(shí)現(xiàn)多頻的同時(shí)，由于采用了其它技術(shù)還可以實(shí)現(xiàn)其它的性能指標(biāo)如 極化等，但

47、結(jié)構(gòu)比較復(fù)雜。本文僅從實(shí)現(xiàn)雙頻這一點(diǎn)出發(fā)，介紹幾種常見的雙頻天線的工作原 理。2.3.2探針加載的雙頻天線該種天線是用加載短路探針實(shí)現(xiàn)雙頻工作的，貼片的形狀可以是常見的矩形、圓形也可以是 三角形等。圖給出了加載短路探針的等邊三角形微帶貼片天線的雙頻特性。圖為結(jié)構(gòu)示意圖，可以看出, 短路探針和饋源探頭位于天線的對(duì)稱線上。圖給出了兩個(gè)諧振頻率和頻率比與短路引線位置 的變化關(guān)系，從圖屮可以看岀，該天線的頻率比可以從調(diào)諧到，調(diào)諧范用兩個(gè)諧振頻率比值還 是比較大的。圖3.8加載短路探針的等邊三角形貼片的雙頻特性2.3.3裂縫加載的雙頻天線裂縫加載可以理解為在貼片上開槽，通過開槽，改變貼片的白然模，從而改

48、變貼片的電流分布, 最后實(shí)現(xiàn)天線的雙頻要求。通過采用不同的貼片形狀、不同的開槽方案、不同的貼片數(shù)量以 及不同的饋電形式可以得到各種微帶天線。對(duì)圖所示的炬形開槽微帶貼片天線進(jìn)行同軸探針饋電，可以很容易的實(shí)現(xiàn)雙頻特性。圖 給出的是矩形開杷i雙頻微帶貼片天線的結(jié)構(gòu)示意圖，圖給岀了不同姚対應(yīng)的回波損耗。y1 minwh:r l h1 .$h乞'：/1 i 二.：， . . .- jground plane(a)矩形開槽的矩形微帶貼片天線結(jié)構(gòu)示意圖o o o o12 3 (mp) emomu nun4 mm4014002600170020002300frequency (mhz)(b)不同w2對(duì)

49、應(yīng)的回波損耗圖3.9矩形開樓雙頻微帶貼片天線的雙頻特性2.4本章小結(jié)木章在分析各項(xiàng)技術(shù)實(shí)現(xiàn)的同時(shí),主要是從概念原理的角度出發(fā)論證技術(shù)實(shí)現(xiàn)的可行性, 并在相應(yīng)的理論方法的后面跟何相應(yīng)的成功例子，在證明方法可行有效的同時(shí),省略了人量的 理論推導(dǎo)等繁瑣的步驟。本論文的冃標(biāo)是設(shè)計(jì)出多頻小型寬頻帶微帶天線，本章的主耍h的是在介紹當(dāng)前各種天 線小型化、寬頻帶以及多頻技術(shù)的同時(shí)，為即將進(jìn)行的天線的設(shè)計(jì)打卜一定的理論基礎(chǔ)，并提 供一定的分析設(shè)計(jì)天線的可以借鑒的經(jīng)驗(yàn)。第三章雙頻微帶小型化寬頻帶天線3.1平面單極子微帶天線理論從原理上講，可以將邊長為r的平面長方型的平面單極了微帶天線，與高為l的單極了拉 桿天線相

50、等效。單極了拉桿天線是r為a的圓柱型振了。然而單極了拉桿天線和平面單極 子微帶天線相應(yīng)的轉(zhuǎn)換方法是:將平而單極子微帶天線金屬貼片的而積等效為單極子拉桿天 線的表面積，而將平面單極子微帶天線金屬貼片邊長r等效為單極子拉桿天線的垂直高度 l,即pr*r=2nal/2r=l.所以單極子拉桿天線的高度l與波長的對(duì)應(yīng)關(guān)系就可以表示為：l =0.24 x f，其中:f=(l/a)/(l |- (1/a)則長方型貼片單極子的最低諧振頻率為f = 3.2/r。3.2平面單極天線平面單極子微帶天線36如下圖6-1 (a)所演示。其介質(zhì)基片的尺寸人小為60x58x1.6 mm3, 介質(zhì)基片的介電常數(shù)為2.2,其頂

51、部銅質(zhì)輻射片的總尺寸為36 x 36mm2,可以考慮川銅質(zhì) 微帶線側(cè)而饋電但是不能太寬，否則將影響方向圖。設(shè)計(jì)出的微帶側(cè)而饋電線寬為3.6mmo 平而單極子微帶天線的仿真回波損耗s11如圖64 (b)所示。圖61 (a)平面單極子微帶天線的基本結(jié)構(gòu)s pji.rtt-tzf n.grmnckb n 占freqjtn/gik圖6.1 (b)平血單極子微帶天線冋波損耗sil為了更好地分天線的特性，下圖給出了平而單極了微帶天線在2ghz的仿真電流分 布。圖6-2天線2ghz的仿真電流分布圖3.3開槽平面單極天線若是頂部的輻射帖片開一個(gè)槽3刀，平面單極子微帶天線如下圖6-3所演示，是在上節(jié)中的天線的輻

52、射片右邊上開一槽，槽的尺寸為10x3 mm2,距離右側(cè)邊緣距離a=l mm,然而具他的主要參數(shù)和兒何尺寸則都保持了不變化。開槽平面單極子微帶大線的仿真回波損耗s11如下圖6-4所演示.圖6-3輻射片開槽的平面單極天線圖63輻射片開槽的平ifn單極天線d=9mmd=10mmd=11mmii0123頻率（ghz）圖6-5開槽平面單極天線槽深度對(duì)回波損耗s1i的影響由此町以看出，右側(cè)槽的深度和寬度對(duì)天線的回波損耗s11影響都將很大。因?yàn)樘炀€ 的分析實(shí)質(zhì)上是分析犬線貼片的表面電流。通過研究天線的表面電流特性，可以了解犬線的 很多性能。為了更好地說明阻抗帶寬明顯增加的原因，我們可以從平而單極子微帶天線在

53、 3ghz頻點(diǎn)處的仿真電流分布圖看電流的具體分布從而得出原因。/i八1xazl/iaav f八八a/ax1/圖6-6平血單極子天線3ghz的仿真電流分布圖從上圖6-1和圖6-4 nj'顯而易見，右側(cè)開槽的平面單極子微帶犬線理論仿真測(cè)試的在頻率為1.562ghz 一 4.001ghz范圍z間，輸入電壓的駐波比s （vswr）小于2（即回波 損耗s11小于-10db）,即在這段頻率范用以內(nèi)，天線的阻抗帶寬滿足要求。根據(jù)計(jì)算得知， 那么右側(cè)開槽的平面單極子微帶天線相對(duì)中心頻率的帶寬則為90%,然而同樣尺寸大小卻 耒開槽的普通平面單極子微帶天線理論仿真的頻率范圍在輸入電壓駐波比s （vswr）

54、在小 于2（即回波損耗s11小于-10db）為:1.53ghz-2.60ghz,通過頂部的輻射貼片右邊開槽,相 對(duì)屮心頻率的帶寬大大增加了，由上圖6-2和圖6-6電流分布圖可以很容易地看出，矩形 平面單極子微帶天線上的電流，很大程度上都是均勻分布在天線帖片的兩個(gè)邊緣，然而通過 開槽，平血單極子微帶天線的電流路徑卻被大大延長了，除了從下往上流動(dòng)，而且還有小部 分流經(jīng)向右端開槽端，即在所要求設(shè)計(jì)的犬線的工作頻率已經(jīng)確定的情況f，由真空屮光 速的傳播定理和頻率的關(guān)系可知，天線的尺寸人小就隨之可以確定了。天線的電長度與頻率 成反比，電長度越長，頻率就會(huì)相應(yīng)地降低，若是通過開槽方法延氏了電流氏度，那么諧

55、振 頻率就降低了，在固定天線尺寸的情況下，使天線的工作頻率降低下，也就是說固定天線尺 寸，利川開槽技術(shù)使天線實(shí)際工作于更低頻率，從而使天線工作于更低的頻率，也就是實(shí)現(xiàn) 了小型化的目標(biāo)。我們可以這么認(rèn)為：通過在適當(dāng)?shù)奈恢瞄_槽，完全可以有效地增加了犬線 的電長度，從而改善天線的頻率特性。3.4開兩槽平面單極天線不開杷的平血單極子微帶天線，理論仿真測(cè)試的-10 d b （駐波比為2）阻抗帶寬 為:1.53ghz 2.60ghz,頂部貼片右邊開了一個(gè)槽的平而單極子微帶天線理論測(cè)試的10 d b （駐波比為2）阻抗帶寬為：1.56ghz 一 4.01gh乙相對(duì)屮心頻率的帶寬為92%,頂部貼片 開兩個(gè)38

56、-39的平面單極子微帶天線測(cè)試的一 10d b （駐波比為2）阻抗帶寬 為:1.46-3.42ghz,5.08ghz-5.73 ghz。兩個(gè)頻段完全覆蓋了 wlan（wireless local area network） 工作的所必需的頻段，完全避免了因?yàn)樯漕l信號(hào)的干擾較大、安全性相對(duì)不是很高等顯著的 缺點(diǎn)。圖6-7是頂部輻射片右邊開兩個(gè)槽的平面單極子微帶犬線的簡易結(jié)構(gòu)圖。為了更好 地分析頂部輻射片右邊開兩槽平面單極了微帶天線的輻射特性，下而的圖6-8給出了兩槽 平面單極子微帶天線在5.2ghz頻點(diǎn)處的仿真電流分布圖。圖6-7頂部輻射片開兩個(gè)槽的平面單極子微帶天線圖6-8明確給出了天線在5.2ghz的仿貞電流分布圖圖6-9頂部輻射片右邊開兩槽的