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小型化微带天线的研究


摘要

摘要
近年来 ,随着个人通讯和移动通讯技术的迅速发展,在天线的设计上提出了小 型化和宽频带的要求。而微带天线具有结构紧凑、外观优美、体积小重量轻.等优点, 得到广泛的应用。但是,低增益、窄带宽的缺陷也限制了微带天线的使用。因此本文 对微带天线最基本的小型化技术、宽频带技术进行了探讨、分析和归纳。在设计过程 中,采用 ANSOFT 公司的电磁仿真软件——Ansoft HFSS,结合宽频带的设计方法, 提出了一些简单的微带天线结构。

关键词:微带天线

宽频带

小型化

Abstract

Abstract
In recent years, the demand form miniaturization, multiband and broadband has been presented with rapid development of mobile communications. Therefore, the size of the antenna is required to be as small as possible.Microstrip antennas have several advantages over conventional monopole-like antenna for mobile handsets. They are less prone to damage , compact in total size and aesthetic from the appearance point of view. Unfortunately, some shortcomings of Microstrip antennas such as low gain, small bandwidth, etc, make them unfit for practical application. Therefore this paper, the basic microstrip antenna miniaturization technologies , broadband technologies are discussed , analyzed and summarized.During the design process , The use of electromagnetic simulation software of ANSOFT company—Ansoft HFSS, Made a number of simple microstrip antenna structure combination of broad-band design method. Keywords: Microstrip antenna , Broadband , Smaller

摘要

目录
第一章 绪论 ........................................................................................................................................... 3 1.1 微带天线简介 ............................................................................................................................ 3 1.2 国内外研究微带天线的宽频带技术 ........................................................................................ 2 1.3 微带天线小型化方法 ................................................................................................................ 3 1.4 本文主要内容 ............................................................................................................................ 3 第二章 微带天线基本理论及分析方法 ................................................................................................... 5 2.1 微带天线简介 ............................................................................................................................ 5 2.2 微带天线的优缺点与应用 ........................................................................................................ 6 2.3 微带天线的结构和分析方法 .................................................................................................... 8 2.4 微带天线的结构 ........................................................................................................................ 8 2.4.1 微带天线的辐射结构 ....................................................................................................... 8 2.4.2 微带天线的馈电结构 ..................................................................................................... 11 2.5 微带天线的分析方法 ................................................................................................................. 14 2.5.1 解析方法 ......................................................................................................................... 14 2.5.2 数值方法 ......................................................................................................................... 15 第三章 微带天线的小型化及宽频带技术 ............................................................................................. 17 3.1 微带天线的小型化技术 .......................................................................................................... 17 3.1.1 概述 ............................................................................................................................... 17 3.1.2 微带天线小型化方法 ................................................................................................... 18 3.1.3 微带天线的小型化设计与分析 ................................................................................... 21 3. 2 微带天线宽频带技术 ............................................................................................................. 26 3.2.1 概述 ............................................................................................................................... 26 3.2.2 选择合适的介质基片与贴片 ....................................................................................... 27 3.2.3 阻抗匹配技术 ............................................................................................................... 28 3.2.4 电阻性加载技术 ........................................................................................................... 29 3.2.5 多模技术 ....................................................................................................................... 30 3.2.6 在贴片或接地板上 ― 开窗”的办法 ......................................................................... 31 第四章 微带天线的宽频带设计 ........................................................................................................... 33 第五章 结束语 ....................................................................................................................................... 37 致谢........................................................................................................................................................... 39 参考文献................................................................................................................................................... 41

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目录

目录

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第一章

绪论

随着全球通信业务的迅速发展,作为未来个人通信主要手段的无线移动通信技术 己引起了人们的极大关注,在整个无线通讯系统中,天线是将射频信号转化为无线信 号的关键器件,其性能的优良对无线通信工程的成败起到重要作用。快速发展的移动 通信系统需要的是小型化、宽频带、多功能(多频段、多极化)、高性能的天线。微带 天线作为天线家祖的重要一员,经过近几十年的发展,已经取得了可喜的进步,在移 动终端中采用内置微带天线,不但可以减小天线对于人体的辐射,还可使手机的外形 设计多样化,因此内置微带天线将是未来手机天线技术的发展方向之一,但其固有的 窄带特性(常规微带天线约为 2%左右)在很多情况下成了制约其应用的一个瓶颈, 因此 设计出具有宽频带小型化的微带天线不但具有一定的理论价值而且具有重要的应用 价值,这也成为当前国际天线界研究的热点之一。本论文的主要工作就是提出这类天 线的一些简单设计方法。

1.1 微带天线简介
早在 1953 年箔尚(G.A.DcDhamps )教授就提出利用微带线的辐射来制成微带 微波天线的概念。 但是, 在接下来的近 20 年里, 对此只有一些零星的研究。 直到 1972 年,由于微波集成技术的发展和空间技术对低剖面天线的迫切需求,芒森 (R.E.Munson)和豪威尔(J.Q.Howell)等研究者制成了第一批实用的微带天线。随 之, 国际上展开了对微带天线的广泛研究和应用。 1979 年在美国新墨西哥州大学举行 了微带天线的专题目际会议,1981 年 IEEE 天线与传播会刊在 1 月号上刊载了微带天 线专辑。至此,微带天线已形成为天线领域中的一个专门分支,两本微带天线专辑也 相继问世,至今已有近十本书。可见,70 年代是微带天线取得突破性进展的时期;在 80 年代中, 微带天线无论在理论与应用的深度上和广度上都获得了进一步的发展; 今 天,这一新型天线已趋于成熟,其应用正在与日俱增。

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1.2 国内外研究微带天线的宽频带技术
微带天线的固有缺点就是阻抗频带窄,展宽频带是最困难也是最富有挑战性的技 术之一,随着移动通信系统、全球定位系统(GPS)、卫星通信系统的发展,宽频带微 带贴片天线的研究己成为了非常热门的课题,同时宽带微带贴片天线将逐渐向着小型 化,简单化同时具有多功能、多用途的方向发展。近年来,人们在微带贴片天线展宽 频带方面做了大量的研究微带天线的宽频带技术主要采用以下几种方法实现。 A.有空穴结构的宽带微带贴片天线。 B.采用多层介质基片微带天线的结构,将馈电网络与天线贴片分别置于不同的介质基 片上,这样可以获得宽频带的驻波比特性。

图 3.1 电磁耦合的双层微带天线

图 3.2 附加调协枝节的微带天线 C. U 形缝隙结构的宽带微带贴片天线结构图如下:

第一章 绪论

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图 4-1 俯视图

图 4-2 侧面图

1.3 微带天线小型化方法
随着无线通信事业的飞速发展,微带天线的尺寸与其它通信器件相比尺寸越来越 大,显得越来越不相适应,因此要求进一步缩小微带天线的尺寸,经过许多学者的研 究,发展了各种各样的缩小微带天线的新方法,本节简单介绍如下。 A.加载短路探针 通过与馈电接近的短路探针在谐振中引入耦合电容实现小型化 B.采用高介电常数的材料基片从天线谐振频率关系式可以看出谐振频率与介质 参数成反比,因此采用高介电常数(如陶瓷材料)基片可降低谐振频率,从而减小天线 尺寸。 C.表面开槽[23-25] 当在贴片表面开不同形式的槽或是细缝时,切断了原来的表面电流途径,在天线 等效电路中相当于引入了级联电感。 虽然国内外对上述微带天线小型化技术展开了大量的研究,但是其中还是存在了 很多问题,其中天线的性能如增益、带宽与小型化及加工制作之间相互牵制,必须权 衡利弊。

1.4 本文主要内容
本论文主要针对如何实现微带天线宽频带、小型化展开了比较全面的分析研究, 同时提出了几种新型结构的微带天线设计,全文共分为以下几个方面:

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第一章为绪论部分,主要是简单的介绍了当前微带天线的是宽频带、小型化研究 状况以及存在的问题,在此调研的基础上提出了自己的研究方向。 第二章简单介绍微带天线的基本理论以及分析方法 第三章讨论微带天线小型化、宽频带的各种方法,并具体提出了一种小型化方法 并附有设计与分析。 第四章主要提出了一种新型宽频带。通过理论分析以及仿真软件辅助设计,特别 是应用 Ansoft HFSS 全真分析软件,对于天线的重要参数以及这些参数对增加天线带 宽的影响都给出了具体定量的分析,最后得到了比较理想的结果。 第五章结束语,主要是对本论文的工作进行总结和展望,希望本论文的工作 对于以后相关研究能提供一点借鉴和启示。

第二章 微带天线基本理论及分析方法

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第二章 微带天线基本理论及分析方法
本章主要介绍了微带天线的各种结构形式和基本分析方法,

2.1 微带天线简介
微带天线是在带有导体接地板的介质基片上贴导体薄片而形成的天线。它一般利 用微带线或同轴线等馈线馈电,在导体贴片与接地板之间激励起射频电磁场,并通过 贴片四周与接地板间的缝隙向外辐射。因此,微带天线也可看作是一种缝隙天线。其 典型结构如图 2.1 所示

(a)微带贴片天线

(b)微带振子天线

(c)微带行波天线 图 2.1 微带天线的典型结构

(d)微带缝隙天线

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通常介质基片的厚度与波长相比是很小的,因而它实现了一维小型化,属于电小 天线的一类。另外,随着技术的进步,现在许多手机天线都是采用曲折线型的微带天 线实现了手机天线的小型化。 导体贴片一般是规则形状的面积单元,如矩形、圆形或圆环形薄片等;也可以是 窄长条形的薄片振子(偶极子)。由这两种单元形成的微带天线分别称为微带贴片天线 和条带振子天线,如图 1-3(a)、 (b)所示。微带天线的另一种形式是利用微带线的某种 形变(如弯曲、直角弯头等)来形成辐射,称之为微带线型天线,如图 1-3(c)所示,这 种天线因为沿线传输行波,又称为微带行波天线。微带天线的第四种形式是利用开在 接地板上的缝隙,由介质基片另一侧的微带线或其它馈线(如带状线)对其馈电,称之 为微带行波天线, 如图 1-3(d)所示。 由各种微带辐射单元可构成多种多样的阵列天线, 如微带贴片阵天线,微带振子阵天线,等等。

2.2 微带天线的优缺点与应用
与普通微波天线相比,微带天线有如下优点: (1)体积小,重量经; (2)平面结构,并可制成与导弹、卫星等表面相共形的结构; (3)馈电网络可与天线结构一起集成,适合于用印刷电路技术进行大批量生产; (4)能与有源器件和电路集成为单一的配件; (5)便于获得圆极化,容易实现双频段、双极化等多功能工作; (6)没有作大的变动,天线既能很容易地装在导弹、火箭和卫星。 (7)天线的散射截面较小; (8)稍稍改变馈电位置就可以获得线极化和圆极化(左旋和右旋)。 (9) 微带天线适合于组合式设计(固体器件,如振荡器、放大器、混频器、功分器、 移相器、可变衰减器、调制器、开关等可以直接加到天线基片上); (10)馈线和匹配网络可以和天线结构同时设计和加工。 但是与通常的微波天线相比,微带天线也有一些缺点:

第二章 微带天线基本理论及分析方法

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1) 频带窄; 2) 有导体和介质损耗,并且会激励表面波,导致辐射效率降低; 3) 功率容量较小,适用于中、小功率场合; 4) 性能受基片材料影响大; 5) 馈线与辐射元之间的隔离差; 尽管如此,有一些方法可以用来减小某些缺点。例如,采用一些宽频带技术可以 有效地展宽频带;在设计和制造过程中特别注意并采取一些措施就可抑制或消除表面 波。 在许多实际设计中,微带天线的优点远超过它的缺点。甚至在仍被认为是微带天 线发展幼年时期的 80 年代时,微带天线已有多种成功的应用。随着微带天线的继续 研究和发展以及日益增多的使用需求,可以预料,对于大多数的应用,它将最终取代 常规的天线。在一些显要的系统中已经应用微带天线的有: 卫星通讯; 多普勒及其它雷达, 无线电测高计, 指挥和控制系统 导弹遥测; 武器信管; 便携装置; 环境检测仪表; 复杂天线中的馈电单元; 卫星导航接收天线; 生物医学辐射器; 等等。 相信随着对微带天线应用可能性认识的提高,以及各种电路系统对天线的小型化 集成化要求的提高,微带天线的优点日益凸显,其应用场合将会继续增多。

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2.3 微带天线的结构和分析方法
在对微带天线有了一个初步的了解之后,接下来我们将对微带天线的结构和分析 方法做一个简单的介绍。其中结构包括天线的辐射结构和馈电结构,而分析方法分为 解析方法和数值方法两大类。对不同的微带天线的机构和分析方法的理解和运用将对 我们进行微带天线单元的设计起到很重要的指导作用。

2.4 微带天线的结构
2.4.1 微带天线的辐射结构 微带天线根据结构的不同而大体上可以分为四类: 微带贴片天线、 微带振子天线、 微带线型天线和微带缝隙天线。它们具有不同的特点和使用范围,其中贴片天线由于 其分析和设计方便且具有很多优良的电特性而在实际中应用最广。 2.4.1.1 微带贴片天线 微带贴片天线的最基本的结构模型便是薄的介质基片加其两侧的微带贴片和地 板,其典型结构如图 1-3(a)所示。它通过贴片和地板上的电流或等效为贴片四周与 地板之间的缝隙上分布的等效磁流来辐射能量。 微带贴片天线具有很多优点:分析和设计简单,可以实现各种极化形式,可以多 频段工作,制作方便,等等。故一般的微带天线多是这种形式,我们将在第三节对它 进行详细的介绍。 2.4.1.2 微带振子天线 对于微带贴片天线,当贴片的宽度变窄时,其输入阻抗随之增加。因此当贴片的 宽度接近微带馈线的宽度时,贴片天线则难于匹配使得天线的辐射特性变得很差。而 微带振子天线则利用耦合馈线很好地解决了这一问题。 图 2-1 给出了一种利用微带线来进行耦合馈电的微带振子天线,微带振子的长度 约为半个波长,宽度与微带馈线的宽度相同。微带振子与其下方的微带馈线有一部分 相互交叠从而耦合能量,调整此交叠部分的面积从而改变馈线与微带振子的耦合量便 可以调整天线谐振时的输入阻抗。对于此微带振子天线,我们也可以将馈线变化为槽

第二章 微带天线基本理论及分析方法

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线。此外,还可以将微带振子弯折以构成微带折合振子从而减小天线的尺寸。 当微带振子很窄且基片厚度远小于介质波长或微带振子的长度等于谐振长度时, 我们可以假设微带振子上的电流满足余弦分布,从而得到其辐射特性。对于更一般的 情况,则可以采用矩量法得出关于微带振子和地板上更准确的电流分布从而计算天线 的辐射场。

图 2-1 电磁耦合馈电的微带振子天线

2.4.1.3 微带行波天线 微带线型天线是利用微带线的形变(如弯曲、拐角等) ,由微带线的不连续点或 弯曲点来形成辐射。它们一般都端接匹配负载,沿线传输行波,故又被称为微带行波 天线,其波瓣可以指向从端射到边射的任一方向。图 2-2 给出了几种常见的微带线型 天线结构。与行波天线相对应的是微带驻波天线,其终端一般为开路或短路,波瓣一 般指向边射方向。微带行波天线可等效为一种沿微带线延伸方向一边传输能量一边辐 射能量的传输线段,用一个复传播常数 ? ? ? ? j? 来表征,其中实部 ? 给出了导行波 的相位信息而虚部 ? 则给出了沿线辐射所等效的衰减。

(a)三角线

(b)弯角线

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采用等效磁流法来进行近似分析。此时微带线上不连续点或弯曲点的辐射用微带 线两侧的磁流来等效,且一般对于微带线型天线,其微带线的宽度 w 远小于波长,因 此直微带线上的寄生辐射可以忽略,且不连续点或弯曲点处微带线两侧磁流的辐射可 用位于中心线的单个磁流来等效。因此微带行波天线也可以视为一个串联馈电的阵 列,其辐射单元便是各个不连续点或弯曲点。利用矢位法可计算出辐射场进而得到其 它的天线电参数。更严格的方法可以采用数值方法,如基于积分方程的矩量法等,由 天线结构建立电流积分方程,解算出电流分布便可计算出辐射场。 2.4.1.4 微带缝隙天线 在 1.2 小节微带天线简介中,图 1-3 示出了一种典型的微带缝隙天线结构。它是 利用在微带结构的地板上刻蚀的缝隙来辐射能量。对于窄缝(缝宽比缝长小很多)结 构, 可以看作与微带振子天线互补。 与微带贴片天线相比, 其优点是交叉极化电平低。 但由于缝隙本身电抗的影响,其驻波带宽一般比较窄,且是双向辐射的,不过这可以 通过在介质基片的另一侧增加地板来消除背向辐射。微带缝隙天线的分析可以由等效 磁流利用矢位法来计算辐射场,进而得到其它的天线电参数。 现在已经出现了各种不同形式的微带缝隙天线结构,如图 2-3 所示。图(a)为附 加了地板的微带缝隙天线,消除了背向辐射,采用带状线就可以方便地实现馈电。图 (b)可以视为矩形排列的四元缝隙阵列,利用共面波导线来馈电。图(c)为微带线 馈电的微带缝隙天线,其终端的开路枝节用于改善天线的匹配。图(d)是用槽线馈 电的宽缝,其频带较宽但交叉极化较大。图(e)可视为共轴排列的微带缝隙天线, 利用共面波导线来馈电。图(f)为微带线馈电的圆环缝隙,若缝隙改为长短轴相近 的椭圆环,并合理设置馈电位置,还可以实现在边射方向上的圆极化辐射。

第二章 微带天线基本理论及分析方法

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图 2-3 微带缝隙天线结构图 2.4.2 微带天线的馈电结构 微带天线的馈电会影响到其输入阻抗进而影响天线的其它性能,因而它对微带天 线的设计至关重要。 微带天线的馈电方法有很多种,我们从贴片与馈线是否有金属导体接触的角度出 发将其分为直接馈电和间接馈电两大类。其中直接馈电包括同轴探针馈电和微带线馈 电,这两种方法因为设计简单而在实际微带天线的设计中使用最多。而间接馈电则包 括电磁耦合馈电、孔径耦合馈电和共面波导传输线馈电。下面我们就分别对这几种馈 电形式的结构和特点进行介绍,并在图 2-4 分别给出了各种馈电形式的结构图。

(a) 同轴馈电

(b)微带线馈电

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(c)电磁耦合馈电

(d)孔径耦合馈电

(e)共面波导馈电 图 2-4 微带天线的馈电形式 2.4.2.1 直接馈电 a.同轴馈电 同轴馈电也称为探针馈电,它是将同轴线的外导体与天线的地板相接,而内导体 直接与贴片连接。其优点是同轴线可以根据天线输入阻抗的匹配需求而放置在贴片下 面的基片中的任何位置。其缺点是需要在介质基片中钻孔以满足内导体的连接需求, 同时该馈电形式需要一个向地板外面突出的连接器,这就有碍于微带天线的集成一体 化设计,天线整体结构的非对称性会使得交叉极化相对较大。此外,对于基片比较厚 的贴片天线,探针长度的增加会使得探针的阻抗呈现比较大的感抗,从而给天线与馈 线的匹配带来困难;此外对于相对介电常数大的基片,厚度增加还可能导致表面波的 激励,从而降低了天线的辐射效率。不过这可以通过一些变形的探针馈电形式加以弥 补,如 L 探针馈电等,通过探针顶部连接的金属片对贴片进行电容耦合馈电,从而降 低了探针的长度要求,改善了天线的匹配,提高了辐射效率。 b.微带线馈电 微带线馈电利用集成电路制造技术而将微带馈线与贴片刻蚀在一起,因而结构简

第二章 微带天线基本理论及分析方法

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单,易于制作。其缺陷是直接与贴片相连接的馈线会产生一部分辐射。随着天线工作 频率的升高,当馈线尺寸变得可以与贴片尺寸相比拟时,馈线的干扰辐射将进一步加 剧,由此会导致性能的恶化。 2.4.2.2 间接馈电 通常为了展宽微带天线的频带会使用比较厚的介质基片,这就会给以上两种直接 馈电方法带来问题。对于同轴馈电的情形,探针长度的增加会使得输入阻抗呈现出更 大的感性,这将给天线的匹配带来问题。而对于微带线馈电,由于特性阻抗的制约, 基片厚度的增加会导致微带线上金属导带宽度的增加,这将加剧馈线产生的干扰辐 射。下面介绍的这几种间接馈电方法可以解决这些问题。 a.电磁耦合馈电 电磁耦合馈电形式将馈线放置在地板和贴片之间,中间分别填充两种介质。这种 馈电结构消除了馈电网络的干扰辐射,又因天线介质基片的总体厚度的增加而展宽了 天线的带宽。此外,还可以分别调节两种填充介质的参数以优化馈线和贴片各自的性 能。其主要缺点是天线的性能对贴片和馈线的位置敏感。 b.孔径耦合馈电 电磁耦合馈电结构中,馈线和贴片位于地板的同一侧,而对于孔径耦合馈电,二 者分居地板两侧。电磁场通过在地板上切割的电长度较小的孔径或槽从微带馈线耦合 到辐射贴片上。孔径通常位于贴片的正下方,以利用结构的对称性来抑制交叉极化电 平。耦合孔径的形状、尺寸和位置决定了电磁场由馈线到贴片的耦合度。槽型耦合孔 径的尺寸可以是谐振的,也可以是非谐振的。对于谐振尺寸的槽型耦合孔径,它可以 为天线提供另外一个谐振频率从而有效展宽了天线的频带,但是这要以增加天线的背 向辐射为代价。因此非谐振尺寸的槽型耦合孔径应用比较多。这种馈电形式对于馈线 和贴片位置误差的敏感度相对比较低, 而且天线的带宽比较宽。 与电磁耦合馈电相似, 也可以分别选择两层介质基片的参数来优化各自的性能。 c.共面波导线馈电 共面波导线馈电的形式如图 2-4(e)所示。在这种结构中,共面波导线刻蚀在天 线的地板上,由同轴探针激励,终止处是一个槽。这种馈电方法的主要缺点是相当长 的槽会产生比较强的辐射,从而导致天线的前后辐射比很差。其前后辐射比可以通过

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减小槽的尺寸和改变槽的形状来加以改善。

2.5 微带天线的分析方法
微带天线的分析方法有很多,但是大体上可以分为解析方法和数值方法两大类。 第一类方法基于围绕贴片边缘的等效磁流分布来计算辐射场,包括传输线模型(The transmission line model) 、腔体模型(The cavity model) 、多端网络模型(Multiport Network Model)等。而第二类方法基于贴片和地板上的电流分布来计算辐射场,包 括矩量法(method of moments) 、有限元法(finite-element method)和时域有限差分 法(finite-difference in time domain)等。 2.5.1 解析方法 天线问题的严格分析是一个电磁场边值型问题,需要根据其边界条件确定麦克斯 韦方程的特解。因此微带天线的严格分析将是非常复杂的,而通常根据微带天线的实 际特征做某些方面的假设和近似进而得出分析模型则不失为一种简单有效的处理手 段。由麦克斯韦方程的不同解法发展了多种分析微带天线的解析方法,这里我们主要 介绍以下三种模型,它们由于其简单实用而在规则贴片天线的分析中获得了广泛的应 用。 a.传输线模型 传输线模型很简单,并且有助于理解微带天线的基本特性,因此首先介绍这种模 型方法。在这种模型中,微带贴片天线被视为场沿着横向没有变化而沿着传输线的延 伸方向呈驻波分布的一个传输线谐振器。天线的辐射主要源自两个开路终端的边缘 场,因此微带天线被等效为两个相距贴片长度的缝隙,其上分布有面磁流。利用矢量 位函数便可由磁流计算出天线的远场辐射和其它的电参数。 尽管传输线模型易于使用,但是很多结构类型不能使用它来分析,这是因为它没 有考虑沿着与传播方向正交的方向上场的变化。 b.腔体模型 如果说传输线模型因为有场沿传输线横向无变化的限制而只是微带天线在一维

第二章 微带天线基本理论及分析方法

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下近似的话,那么腔体模型就可以称为二维近似。因为腔体模型基于一维电小的基本 假设(即介质基片的厚度远小于波长) ,将微带贴片与地板之间的空间等效为上下是 电壁而四周是磁壁的谐振空腔。在腔体中,场沿基片厚度方向保持不变,并且它是该 等效的二维谐振器中所有谐振模式之和。天线的远场辐射及其它电参数可以通过空腔 四周的等效磁流来得到。 c.多端网络模型 多端网络模型实际上是腔体模型的一种拓展,在这种模型中,贴片被等效为一个 具有多个端口分布在贴片四周的二维平面网络。通过二维格林函数可以计算出该网络 的多端阻抗矩阵,再添加一个等效的边缘导纳网络,便可以将边缘场和辐射场联系起 来,然后利用分割方法计算出全局阻抗矩阵,由贴片四周的电压分布得到等效磁流分 布,再由等效磁流计算出辐射场。利用等高线积分技术可以使其在不规则形状的贴片 天线中获得应用。 2.5.2 数值方法 虽然以上介绍的解析方法具有简洁性和较为明确的物理意义,但是它们不能用来 分析任意形状的微带天线,同时微带天线工程精确度的提高也对以上简化模型分析方 法提出了考验。然而计算机技术的发展给微带天线的分析带来了新的思路,即依据微 带天线的电磁场边值问题,将求解麦克斯韦微分方程转化为利用计算机来求解矩阵代 数方程。由此也产生了多种数值方法,它们各具有一些优缺点和适用性,这里我们仅 介绍几种典型的分析方法。 矩量法分析微带天线的基本思想是利用并矢格林函数建立关于微带贴片和地板 上的表面电流的积分方程,然后利用函数展开法将此积分方程转化为矩阵方程,利用 计算机便可得出近似解。矩量法因为考虑了贴片周围的物理边界的边缘场而具有较高 的精度。 b.有限元法 有限元法的原理是先将整个连续求解区域划分为很多小的离散单元(如在二维结 构中选取三角形单元,在三维结构中选取四面体单元等) ,在子域中将未知函数(如 电磁场量、位函数或电流等)表示为子域基函数的插值,根据变分原理或迦略金方法

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便可建立一个关于未知函数展开系数的矩阵方程,利用计算机便可方便求解该代数方 程。有限元法因为离散单元选择的灵活性而具有模拟任意形状的优点,但是其求解精 度要受求解区域剖分精细程度的影响。 c.时域有限差分法 时域有限差分法的基本思想是把求解空间进行离散化,并将麦克斯韦方程中的电 磁场量进行时间和空间的离散化,由此将麦克斯韦微分方程转化为关于电磁场量的时 域差分方程。选取合适的场初值(或激励源)和计算空间的边界条件,便可以得到包 括时间变量的麦克斯韦方程的四维数值解,通过离散傅里叶变换还可以得到三维空间 的频域解。时域有限差分法的优点是其离散比较简单(空间网格大小一致、时间步长 恒定) ,并且通过离散傅里叶变换可以方便的得到其在宽带范围内特性。但是其数值 解的稳定性要受时间步长和空间步长的限制。

第三章 微带天线的小型化及宽频带技术

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第三章 微带天线的小型化及宽频带技术
3.1 微带天线的小型化技术
3.1.1 概述 现代电磁学历经三百多年的发展,日臻成熟完善。天线作为实现无线电应用的关 键设备,顺应通信、广播、雷达、制导等无线电应用系统在不同阶段的需要而不断发 展。今昔对比,天线在功能、设计及制造工艺上都发生巨大变化。然而微电子技术与 大规模集成电路迅猛发展,使天线成为电子设备中庞大、笨重部件的问题日渐突出, 因而对能与设备大小协调且具有有效电性能的小天线的需求愈加迫切。 以移动通信和个人通信为例,目前广泛应用于移动通信设备的单极天线和螺旋天 线有许多缺点:(1) 不能集成到设备外壳上,尺寸大,易损坏; (2)辐射效率低,难于 屏蔽,人体对天线的性能影响较大; (3) 天线对人体尤其是脑部有较大幅射,局部峰 值甚至超出 ANSI/ IEEE C95. 121992 标准规定的限制; (4) 仅有一种极化特性,电 气性能较差; (5) 需要匹配电路,损耗大,成本高。而若采用微带天线,则拥有以下 颇具特色的优点: (1) 便于与机身共形,集成到设备的印制电路板或外壳上,制成内置 式,不易损坏,不额外增加设备尺寸; (2) 可采用高水平的屏蔽技术来屏蔽天线,使 天线几乎不受人体的影响,同时大大削减天线辐射对人体的危害; (3) 馈电方方式多 样化,易获得阻抗匹配,不需匹配电路或平衡转换器,不存在天线与射频电路之间的 物理限制; (4) 易设计出移动电话使用的双频或多频天线。此外,小型化微带天线还 可用于 PCMCIA 通信卡和无线调制解调器中,为笔记本电脑等便携设备提供通信能 力。然而遗憾的是,在较低频段(VHF/ UHF) ,传统的半波长微带天线尺寸仍然太大。 这样,实用化小型微带天线的研制,特别是用作第三代移动通信(3G) 系统、蓝牙 (Bluetooth) 系统及无线定位系统的天线,成为国内外研究热点。 与普通微波天线相比,微带天线实现了一维小型化,具有低轮廓、可共形、易集 成,以及便于获得圆极化,实现双频段、双极化工作等多项优点。然而任 何事件都具有两面性。小天线的 Q 值极高,因此辐射效率低、频带窄。微带天线是

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小型机载天线的研究

一维小天线,必须经恰当设计才能获得良好性能。

3.1.2

微带天线小型化方法 目前,微带天线小型化方法主要有以下几种:

1. 天线加载 在微带天线上加载短路探针(shorting post) ,通过与馈点接近的短路探针在谐振 空腔中引入耦合电容以实现小型化,典型结构如图1 所示。天线的谐 振频率主要取决于短路探针的粗细和位置,天线尺寸可缩减50 %以上。其缺点是: (1) 阻抗匹配极大地依赖于短路探针的位置及其与馈电点的距离Δ ,往往需要馈电点的精 确定位和十分微小的Δ ,这给制造公差提出了苛刻要求。(2) 带宽窄。(3) H 面 的交叉极化电平相对较高。

图 1 加载短路探针的微带天线 将短路探针替换为低阻抗的切片电阻(chip re2sistor) ,在进一步降低谐振频率的 同时还可增加带宽。随加载电阻增大,天线品质因素降低,带宽展宽,制造公差降低, 但这些性能的提高以牺牲增益为代价。一般地,若加载1Ω 切片电阻,增益下降约1. 5dB。此外,加载切片电容(chip capacitor) 也可有效降低谐振频率,减小天线尺寸, 但带宽有所减小。 2. 采用特殊材料基片 从天线谐振频率关系式可以知道,谐振频率与介质参数成反比,因此采用高介电 常数(如陶瓷材料) 或高磁导率(如磁性材料) 的基片可降低谐振频率,从而减小天线

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尺寸。这类高介质天线的主要缺陷是: (a) 激励出较强的表面波,表面损耗较大,使增 益减小,效率降低。(b) 带宽窄。为提高增益,常在天线表面覆盖介质(superst rate) (如 图2 所示) 。

图2

采用高ε r 的多层介质微带天线

采用铁氧体材料制成的微带天线实现小型化的同时,且在较宽频带范围内频率 可调(可达40 %) , 但铁氧体在微波频段损耗很大。 有机高分子磁性材料在宽温度范围 内电感和磁性能稳定,由其设计成的微带天线可显著减小尺寸,但损耗大,增益低。 高温超导材料HTS ( high temperature superconductor)基片以及“光电子带阵”PGB (photonic band2gap) 基片有极低的表面电阻,能有效抑制表面波,减小表面损耗,解 除了用较厚基片的限制,兼奏提高天线增益,减弱阵元间互耦之效。 3. 表面开槽(slot) 当在贴片表面开不同形式的槽或细缝时(如图3 所示) , 切断了原先的表面电流路 径,使电流绕槽边曲折流过而路径变长,在天线等效电路中相当于引入了级联电感。 由于槽很窄,它可模拟为在贴片中插入一无限薄的横向磁壁。选择适当的槽从而控制 贴片表面电流以激励相位差90°的极化简并模,还可形成圆极化辐射,以及实现双频 工作。图4 为表面开槽的口径耦合馈电的小型圆极化贴片天线。

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图 3 表面开槽的小型化微带天线

图 4 小型口径耦合圆极化微带 这类天线结构简单,成本低廉,加工方便,其特点是:随槽的长度增加,天线谐振 频率降低,天线尺寸减小,但尺寸的过分缩减会引起性能的急剧劣化,其中带宽(一 般约为1 %) 与增益尤为明显,而方向性影响不大。如何破除增益和带宽这两个限制, 开发实用化、易调谐的此类天线尚待深入研究。 4. 附加有源网络 缩小无源天线的尺寸,会导致辐射电阻减小,效率降低。可利用有源网络的放大 作用及阻抗补偿技术弥补由于天线尺寸缩小引起的指标下降。有源天线具有以下良好 特性: (1) 工作频带宽。利用有源网络的高输出阻抗、低输入阻抗,天线带宽高低端频 比可达20~30 。(2) 增益高(可达10dB 以上) ,方向性好。(3) 便于实现阻抗匹配。 (4) 易实施天线方向图,包括主波方向、宽度、前后辐射比等的电控。(5) 有源天线 阵具有单元间弱互耦的潜在性能。但有源天线需考虑噪声及非线性失真问题。 5 .采用特殊形式

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这些方法总的思路是使贴片的等效长度大于其物理长度,以实现小型化目的。近 年来由于无线通信的需求,有大量方案提出,如蝶形(bow2tie) (如图5所示) 、倒F 型 ( PIFA ,planar inverted2F antenna)(如图6 所示) 、L 形、E 形、Y 形、双C 形、层 叠短路贴片(stacked shorted patch) 等等

图 5 双频带蝶型微带天线

图 6 电容加载的倒 F 型微带天线(PIFA) 除以上小型化技术外,还有一些方法提出。为改善天线性能,常综合采用多种方法。

3.1.3

微带天线的小型化设计与分析

1 .天线设计 基本思想 微带天线是谐振式天线,微带贴片的长度大约为介质波长的1 /2. 如果用f表示天 线辐射的中心频率, L 表示微带贴片的长度,则谐振频率
f ? c 2( L ? ?l )

?

( 1 )
e

式(1)中 ? e 为等效介电常数, △l为考虑边缘效应的校正长度. 用w 表示微带的 宽度, h表示微带的厚度,哈默斯塔德给出△l的经验公式为

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w ? 0.246 h ?l ? 0.421h w ? e ? 0.258 h ? 0.8

?

e

? 0.3

( 2 )

如果假定辐射频率为1.15GHz,基片的介电常数为4.5,可以估算出微带的长度为 61.0mm. 如果地板大小取微带大小的1.5倍计算,可以估算出在频率为1.15GHz时常规 微带天线地板的长度大概为91.4mm. 可以设想把图1所示的微带天线进行折叠(如图1所示) , 微带天线的面积将减少到 原来的1 /2.实际上,由于微带天线常采用正方形结构,因此天线面积减小远不止1 /2. 折叠后天线的辐射性能是我们关心的主要问题,按照上述思想我们设计了折叠式微带 天线并进行了仿真验证.

图 1

折叠微带天线示意图

天线结构如图2所示. 与通常寄生贴片天线不同,上表面( surface)与下表面 ( Ground)通过侧面(Joint)连为一体,三个面形成一种半封闭结构. 天线为三层印刷板, 板材选用Rogers TMM4作为介质基片,相对介电常数 ? r 为4. 5. 上下表面均为正方形 的敷铜面,中间为微带天线贴片(patch). 同轴馈电,馈电探针与中间层相连. 本设计 中,上下两层基片介质相同,厚度也相同 h1 =

h

2

= 2mm,总厚度4mm. 当然也可以

选用厚度不同、材料不同的基片. 中间贴片(patch)为正方形结构,尺度为28mm × 28mm,地板的尺度为32mm ×32mm,上表面的大小与地板相同. 同轴线的外径为2. 3mm,探针半径为1mm,特征阻抗为50Ω . 馈电点与贴片中心点的距离为y =-10.53

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图 2 折叠式微带天线几何结构 2 . 天线仿真 Ansoft HFSS是Ansoft公司开发的基于有限元的电磁仿真软件, 在微波电路设计中 有着非常广泛的应用. 下面各图给出了仿真结果. 必须指出,仿真设置为天线的地平 面与吸收界面相重合,如果不做如此设置,则天线为双向辐射,仿真增益会有所下降. 图3为天线的回波损耗. 在发射中心频率点f =1.155GHz,天线的回波损耗达28. 52dB. 图4为天线的驻波比随微波频率的变化,中心频率驻波比为1.08, VSWR ≤2 的频带 宽度为8MHz, 相对带宽0.7%. 显然,天线频带较窄, Q值较高,不太适合对 频带要求较宽的场合. 如何降低天线的Q值、拓宽频带,尚需进行进一步研究。

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图 3 折叠式微带天线的回波损耗

图 4

折叠式微带天线的驻波比和带宽

图5和图6分别为折叠式天线2个不同平面的方向图. 由微带天线理论可知, 当天线 工作在主模时,微带天线的辐射外电场方向与贴片所在的平面平行,因此这里把与贴 片平面平行的平面称为E面. 与普通微带天线的方向图类似,微带所在平面的辐射图 ( E面θ = 90°)具有良好的全向性; H面 ? = 90°) ( 方向图则呈现出前向辐射特性. 天 线增益4.05dBi, 3dB波束宽度达100°左右. 由于仿真过程中天线的地表面与背景的 吸收界面重合,多次仿真结果表明天线无旁瓣存在。

图 5 天线的E面方向图

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图 6 天线的H面方向图 定性分析与讨论 按照腔模理论,普通矩形微带天线工作在TM模,其缝隙激励的远场取决于等效 磁流的大小. 需要注意,折叠天线不是双缝辐射而是单缝辐射,因此其增益要小一些. 激励源初始相位为零、频率为1. 15GHz时,微带天线内场的矢量图如图7. 我们知道, 常规天线的内场为半波式分布:电场矢量从正最大值(峰值)逐渐变化到负最大值.而文 中仿真结果与常规的微带不同之处在于:整个微带内场的方向相同(均向上) ,而电场 的数值大小从左到右逐渐增大.抛开最初的设计思想, 仅从天线的实际结构来看, 天线 的地平面(Ground)与上表面( surface)通过( joint)连接在一起, 其效果可以与加载梢钉短 路的微带天线相类比. 由于加载梢钉微带天线的谐振频率大约为λ /4 ,因此,有理由 认为折叠天线的谐振频率对应于λ /4介质波长,严格的计算要考虑边缘效应引起的缩 短长度 ?l 的影响. 需要说明的是,如果认为辐射元为上表面( surface) ,则λ /4应该为上表面的长度 而并非中间层贴片的长度. 此外,天线的侧面宽度要与上下表面的宽度相同,这样可 以消除由于微波电路不均匀带来的反射,易于实现馈电匹配. 前面曾经算出当频率为1. 15GHz时,普通贴片天线贴片的大小为61. 0mm,二者 相比,折叠式天线的尺度仅为常规微带天线的52. 5%. 考虑到常规贴片天线必须采用 比微带大的反射地板( 91. 4mm) ,折叠式微带天线的尺度仅仅为常规微带天线的35. 0%. 如果在设计中采用其它辅助手段,如在天线上开槽开缝,折叠式天线的尺寸还可

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以进一步减小。

图 7 微带天线内场

3. 2 微带天线宽频带技术
3.2.1 概述 天线的频带是指其特性参数在规定的容许范围内的频率范围。 对线极化微带天 线来说, 通常考虑的特性参数是: 方向图、 增益和阻抗。 其中最易受频率变化影响 的是阻抗, 也就是说, 线极化微带天线频带主要受其阻抗带宽限制。 对大多数微 带天线特别是微带贴片天线而言, 其主要的缺点便是它的窄频带特性。 这是由于微 带贴片天线是一种谐振式天线,它的谐振特性可等效为一个高Q并联谐振电路。 对于薄微带天线,其驻波比带宽不大于 ? 的相对带宽的计算公式为
BW ?

? ?1 ?100% Q ?

( 3–2 )

因此展宽频带的方法可以 通过降低Q值的各种因素去寻找, 如增大基片厚度、 降 低基片相对介电常数等, 也可以 考虑用附加的匹配措施来实现。 常用的方法包括 选择合适的基片、 合适的贴片形状、 合适的馈电技术、多模技术、阻抗匹配以及加 载、 楔形或阶梯形基片、 非线性基片材料、 非线性调整元件、 多层结构、在贴片

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或接地板 “ 开窗”等等。 3.2.2 选择合适的介质基片与贴片 微带贴片天线的窄频带特性是由 其高Q的谐振本性所决定的,也就是说,贮存于 天线结构中的能量比辐射和其它的耗散能量大得多。 这意味着, 在谐振时实现匹配, 而当频率偏离谐振时,电抗分量急剧变动使之失配。当微带天线的VSWR一定时 ( 通 常为VSWR ? 2 ) , 其带宽和品 质因素成反比, 因此降低天线品质因素Q是改善 天线带宽的根本途径. 首先,选用厚基片。从物理意义上讲, 增大基片厚度使频带加 宽的原因是由于厚 度增加, 辐射电 导也随 之增大, 从而 辐 射所对应的Q , 及 总的Q , 值下降。 该方法虽然容易实现, 但是受到客观条件的限制, 加大基片的 厚度可增加频带宽度,但作用有限。而基片过厚会导致基片厚度与波长之比 过大, 引起表面波激励, 同时基片厚度增加,重量随之增加,所占的空间也加大。 在一些 空气动力性能及重量不甚苛刻的场合,这种方法还是行之有效的。 其次, 选用 ? r 较小 或 者 tan?
tan?
eff eff

较 大的 基板。 微 带 线的 等效损耗角

与品质因素成反比, tan?

eff

越大,品质因素Q 越小,天线带宽BW越大。

最后, 选用非线性的介质基片材料,如利用铁氧体材料的电磁特性和非线性的 色散特性可达到展宽频带的目的。 还可以选用楔形或阶梯形基片。由于两辐射端口处基板厚度不同,使两个谐振器 经阶梯电容祸合产生双回路现象,从而导致带宽展宽。采用阶梯形基片的谐振器在 VSWR ? 2 ,带宽可达2 5 %;采用楔形基片的谐振器在VSWR ? 2 ,带宽可达2 8 % ;而一个厚度相当的一般矩形微带贴片天线带宽仅为13% 。 通过改变贴片的形状同样可以达到频带展宽的目的。 一些形状的贴片与其它形 状的相比 具有低Q值, 相应的它们的带宽就宽。 这些贴片包括环孔、 长方形、正 方形、 正方形环等。 例如, 某环孔天线工作在 TM 12 模时, 其带宽比 相似尺寸的 矩 形微带贴片天线的带宽增加了5 倍还多 。 改变贴片结构还包括采用多贴片、电磁藕合馈电、在贴片或接地板上开槽、在电 路中采用非线性调制元件等方法,这些都可以达到展宽频带的目的。

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3.2.3

阻抗匹配技术 实际上这并不属于微带天线本身的问题, 而是馈线的匹配问题。 由于线极化微

带天线的工作带宽主要受到其阻抗带宽的限制, 因此采用馈线匹配技术就能使天线 工作在较宽的频带改变阻抗的一种最常见最直接的方法就是在微带天线的馈电部分 使用阻抗匹配网络, 如使用调谐短线和1 / 4 波长的变换器等。 这些匹配网络应接在 距辐射单元尽可能近的地方, 以便获得较高的总功率和带宽。 而匹配网络中不连续 点的辐射会使天线的交叉极化特性变差。 因此, 由于匹配网络的复杂性和损耗的限 制,天线带宽只能达到1 0 % - 3 0 % 左右。 例如Pues 和Vande Csp elle 利用无源匹 配网络获得了1 0 % -1 2 % 的带宽, 用类似的 技术也己 实现了2 5 %以上的带宽, 这足以使单个辐射单元的带宽覆盖两个G P S 频段。 工作于主膜的矩形或圆形微带贴片天线,其等效电路可以用一个RLC谐振回 路 来 描 述。 在 背馈的 情 况 下, 应 考 虑 馈电 探 针的 电 抗 效 应。 当 基 片 厚 度h ? 0.1 ? g 时,馈电探针的作用更为显著;当h ? 0.25 ? g 时,其作用等效于 一 个电感,这个电感与上述并联谐振回路相串联, 形成天线的输入阻抗。 为了使这个 阻抗与馈线( 如50 ? 的馈线) 在最大的频带范围内相匹配, 需要进行网络综合, 采 用计算机辅助方法实施最优设计。 对于圆形微带贴片天线, 主要的匹配元件是一个 串联电容, 在天线工作频率上这个电容与馈电探针的等效电感近似构成串联谐振。 串 联谐振回路在谐振频率附近的电抗趋于抵消, 使之避免了偏离谐振时电抗的迅速变 化因而展宽了频带。 如图3 . 5 所示的 采用3D锥形过渡的 一种新颖天线,实验测得, VSWR =2 时 的带宽约为 9 0 %.探头馈源与长方形悬浮贴片间的这种过渡采用悬浮微带线。 该天线 和过渡带不使用任何介电材料,贴片通过一根金属或者非金属杆支撑于其中心处。过 渡带可以 是与地面倾斜的等宽度金属带,如图3.5(a)所示也可以是与地面垂直的变宽 度带,如图3.5(b)所示。这两种方法因为其变阻抗特性而产生了大的频带展宽。

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a

采用倾斜式3D锥形过渡的悬浮贴片

b

采用垂直式3D锥形过渡的悬浮贴片

图3.5 采用3D锥形过渡的宽带单层贴片天线 3.2.4 电阻性加载技术 引入天线损耗是提高天线阻抗带宽的一种方法。 实践证明, 通过加载片状电阻、 在贴片上开L形槽以 及在接地板上开槽等都可以实现天线的带宽展宽, 这在文献中都 有详细的论述以及设计实例。 通常的加载微带天线是通过加载电阻的方法引入欧姆 损耗,降低天线的品质因素,从而有效地增加天线的带宽。 一般来说,加载电阻微带天线是由加载短路稍钉的微带天线演化而来的。将加载 短路稍钉换作一个低阻值如1 ? 的贴片电阻, 这时天线的谐振频率和加载稍钉时的谐

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振频率几乎不变,而天线的带宽则有显著的提高。同时,由于加载微带天线引入欧姆 损耗,天线的效率和增益相对于常规微带天线有所降低。 通过在矩形微带贴片上安装1 ? 的片状电阻证实了这一点。图3.6为他们所设计的 片状负载电阻的加载天线几何结构。 该天线的10dB回波损耗带宽约为无电阻负载贴片 的4.9倍,而贴片的尺寸减小到无负载贴片的0.39倍。据估计,天线增益因电阻性负载 的使用而减少了2dB左右。 加载技术在实现天线的小型化时还可以实现天线的宽频带。

图3.6 3.2.5 多模技术

采用片状电阻负载的宽带贴片天线的几何结构

使用多模谐振是设计宽带微带天线的一项非常成功的技术。此项技术的基本设计 思想是借鉴了耦合谐振器的基本原理。耦合谐振器一般由2个或多个谐振器组成,对 他们进行参差调谐以覆盖感兴趣的频率范围,此项技术已经应用于各种形状的微带天 线。在采用多模技术的天线设计中,有的使用了2个或者多个谐振单元,他们的谐振 频率略有不同,彼此间近距离耦合,通过控制耦合来提高带宽。 通过寄生耦合实现宽频带的方法很多,常见的有层叠天线单元提高带宽,采用共 面寄生单元展宽带宽等。典型的层叠贴片微带天线有双贴片结构,在这种结构中,有

第三章 微带天线的小型化及宽频带技术

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许多变量,例如基片厚度和介电常数,贴片中心的偏移,贴片尺寸和溃源位置等。这 种结构不仅可以实现宽频带,还可以实现多频带。不同的应用选择不同的变量。

3.2.6

在贴片或接地板上 “ 开窗”的办法 在微带贴片上的不同位置开不同形状的“ 窗口” , 等效为引入阻抗匹配元件。

因此, 在接地板的适当位置处“ 开窗” , 可改变微带天线的辐射条件和阻抗特性, 这些都可能展宽频带。 在实际应用中, 往往是综合使用以 上所述的展宽频带的方法。 由于微带天线 频带的展宽常常伴随着天线尺寸的增大, 因此限制了微带天线的应用范围。 我们希 望得到小型宽带微带天线,因此研究如何减小微带天线的尺寸显得相当重要。 例如采用短路杆能大大减小天线尺寸, 在微带天线的表面覆盖一层介质也可以 减小天线尺寸。 若介质采用陶瓷材料, 可将天线尺寸减小三分之一以上, 若用二 氧化氮则能减小五分之一。一种在相同条件下减小频率从而相对减小尺寸的方法也被 提出, 这种方法已 应用于圆极化微带天线。 这种天线综合考虑了展宽频带和减小 尺寸两个方面的要求, 获得了一种相对宽带的小型圆极化微带天线。 当然,另一方 面, 在增大微带天线的带宽时也应考虑到不应使天线过于复杂, 否则将增大天线制 造和分析的难度。 另外,在实际应用中往往需要双频工作的天线。如果我们能实现双频工作,并且 每个频段都可以得到较大的带宽, 这种微带天线将得到更为广泛的应用。 若单单基 于展宽频带这一点考虑,可以在上下两层贴片中配以恰当数量的电控短路元件,并可 能使两个频段衔接起来,从而获得复合双频微带天线,使频带展宽。

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第四章 微带天线的宽频带设计

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第四章

微带天线的宽频带设计

1. 设计思想 宽频带微带天线的基本技术是降低等效谐振电路的 Q 值,降低介质损耗等。天 线的频带是指其特性参数在规定的容许范围内的频率范围。对线极化微带天线来说, 通常考虑的电参数有: 方向图、 输入阻抗和增益。 其中最易受频率变化影响的是阻抗, 也就是说.线极化微带天线频带主要受其阻抗带宽限制。微带天线阻抗频带窄的主要 原因是在于它是一种谐振式天线,它的谐振特性犹如一个高Q 值的并联谐振电路。 展宽天线带宽的主要前面已经叙述过,在这里我用的是采用多层贴片的形式—— 做了一个双层贴片微带天线以展宽天线带宽。如图4.1

图 1 双极化电容耦合馈电的双层微带天线 基本要求 如图4.2所示

图 4.2 双层微带贴片尺寸介绍图

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其中(1)h1=h2=8mm (2) ? r1 = ? r 2 =2.25 (3)Heightpatch1-Heightpatch2=20mm (4)l_patch1=w_patch2=250mm (5)l_patch2=w_patch2=260mm (6)h_patch1=h_patch2=8mm 1 仿真结果 通过以上条件,在软件HFSS中建立双贴片模型,如图1所示:

图 1 双贴片微带天线模型图

对其进行仿真得出以下结果:

第四章 微带天线的宽频带设计

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图 2 仿真结果—方向图 (1) 方向图及增益 如图2所示,能看到,仿真出来结果增益能达到7.6以上,符合要求 (2) 带宽及其驻波比

图3 驻波比及其带宽

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小型机载天线的研究

如图3所示 驻波比在2以下其相对带宽达到10%以上,符合宽频带要求 2. 结论 本设计中只提出了一种简单的展宽频带的方法,结果也不是很完美。但宽频 带微带天线在现代社会中应用越来越广泛,在条件允许下我相信能设计出更好 的,更适合要求的天线。

第五章 结束语

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第五章

结束语

微带天线由于具有体积小、重量轻、剖面薄、易与飞行器共形、易于加工、易与 有源器件和电路集成为单一模块等诸多优点,因而自其诞生以来就得到社会各界的广 泛研究与应用。但通常的微带天线主要是一种谐振式天线,相对带宽较窄。同时,随 着通讯技术的发展,宽带的应用越来越受到重视,新的标准相继提出,通讯产品越来 越小型化,物理空间的限制成为系统设计必须考虑的重要因素,因此天线的小型化成 为天线设计的又一研究热点。如何设计出同时具有小型化、多频带以及宽频带的微带 天线是当前微带天线设计的难点与重点。 (1)本文提出了一种实现微带天线小型化的新技术. 该设计以增加厚度为代价有 效的减小了微带贴片天线的面积. 应用HFSS软件对所提出的天线进行了电磁仿真. 结果表明,该天线为单缝辐射,λ /4波长谐振天线. 天线具有与常规微带天线相似的E 面和H面方向图. 其增益小于双缝贴片天线. 天线结构简单, 易于制作,特别适用于对 天线尺度要求比较苛刻便携式通讯设备等. (2)利用Ansoft公司仿真软件制作并分析了一种微带天线的宽频带方式——双层 贴片微带天线,通过分析与修改,基本达到了宽频带的要求,虽然不够完美,但是也 体现了一种实现宽频带的方法。 二十一世纪是个人通信的时代,无线通信在其中占有很大的比例,小型化微 带天线和宽频带微带天线将有非常广阔的应用前景。研制出实用的小型化、宽频 带天线是一项非常有意义的课题。本论文所做的工作只是一些初步的探索和尝试,未 来的工作会更加艰巨也将更有实际意义。

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致谢

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致谢
在论文即将完成之际,我心中充满了深深的感激之情,因为在本论文的完成过程 中得到了很多人的帮助和支持! 首先,衷心感谢我的毕业设计导师鄢泽洪教授,感谢鄢教授半年来,对我的教导 鼓励和支持,深深感谢鄢教授在微波与天线方面对我的教导,使我在迷茫之中找到了 奋斗的目标和方向。 感谢我的指导老师樊芳芳老师,在整个毕业设计过程中,我遇到了很多困难,在 樊老师的精心教导中,克服一个又一个难题,所以我的毕业设计能够顺利完成,樊老 师也付出了很多,再次感谢! 深深感谢我的家人一爸爸、妈妈,我的女友!是你们多年来一直默默无闻无私的 奉献在支持着我不断向前,你们的支持,无论是精神上还是物质上的总是那么有力, 它给了我面对任何困难的勇气和力量,在此我愿将本篇论文献给你们! 最后 ,感谢评阅本论文的专家学者们,感谢你们为此付出的辛勤劳动! 感谢所有关心和支持我的人!

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参考文献

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参考文献
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