（无线电物理专业论文）无线通信中小型化宽带多频微带天线的设计与研究.pdf

摘要 微带天线是在带有导体接地板的介质贴片上贴加导体薄片而形成的天线。它 利用微带线或者同轴线等馈线馈电，在导体贴片与接地板之间激励起辐射电磁 场，并通过贴片四周与接地板之间的缝隙向外辐射。因此微带天线也可以看做 一种缝隙天线。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，属于电小天线一类。 微带天线现在已经大量运用大约i o o m h z i o o g h z 的宽广频域上的大量无线 设备中，特别是在飞行器上和地面便携式设备中。与普通天线相比，微带天线 具有低剖面，体积小，重量轻，易共形，容易加工等优点。但是它的最大缺点 就是频带窄。近年来涌现出很多的技术来提高其带宽。为了提高无线通信收发 系统的工作性能和工作效率，宽带，多频小天线的研究和开发日益成为天线研 究领域中一个很重要的课题。 本文在回顾微带天线基本理论的基础上，针对微带天线的宽带，多频技术进 行了较深入的探讨。尤其对近年来，宽带，多频小天线领域出现的新技术，新 成果，进行了详尽的介绍和总结。最后，结合自己的实际经验和理论知识，设 计和仿真了数个结构新颖，性能优良的宽带，多频小微带天线模型。 关键词：微带天线宽带多频 a b s t r a c t m i c r o s t r i pa n t e n n a sa l es 乜1 l c n l r e db yp a t c h e sp r i n t e do ns u b s t r a t cw h i c hi s a d d e d 、i mg r o u n dp l a n e m i c r o s t r i pa n dc o a x i a l - c a b l ea l eu s e dt of b e dt o t h e a n t e n n a s e l e c t r o m a g n e t i cf i e l dc a nr a d i a t et os p a c et h r o u g ht h ep a t c h e sa n dt h e a p e r t u r ew h i c hc o n n e c t t ot h eg r o u n dp l a n e t h e nm i c r o s t r i pa n t e n n a sc a nb e r e g a r d e da sa p e r t u r ea n t e n n a s t h eh e i g h to fs u b s t r a t eu s u a l l yi sm u c hl e s st h a nt h a t o f w a v e l e n g t h m i c r o s t r i pa n t e n n a sa r eu s u a l l ya p p l i e dt o t h ew i r e l e s se q u i p m e n tw h i c ha r e w o 瓶n ga tt h ew i d e b a n do fi o o m h zt oi o o g h z ，e s p e c i a l l yt h ea e r o c r a f ta n dt h e p o r t a b l ec o m m u n i c a t i n gt o o l so 1g r o u n d a l t h o u g hm i c r o s t r i pa n t e n n a sh a v em a n y a d v a n t a g e ss u c ha sl o wp r o f i l e ，s m a l lw e i g h t ，e a s i l yc o n f o r m e dt oe q u i p m e n t ，l o w c o s t ，e t c ，t h e i ra p p l i c a t i o n sa l el i m i t e df o rt h er e a s o no f t h el o wb a n d w i d t h i no r d e rt o e n h a l l c et h ep e r f o r m a n c eo fc o m m u n i c a t i o nf a c i l i t i e s ，s m a l la n t e n n a sf o rw i d e b a n d a n dm u l t i b a n d sa p p l i c a t i o n sh a v eb e c 锄ea l la s p e c to fi m p o r t a n ti nt h ef i e l do f a n t e n n a s i nt h i sp a p e r , m a n yn e wt e c h n i q u e sf o rw i d e b a n da n dm u l t i - b a n dm i c r o w a v e a n t e n n aa l ep r e s e n t e da f t e rs o m eb a s i ct h e o r e t i co fm i c r o s t r i pa n t e n n a sa l er e v i e w e d a m o n gt h e s en e wt e c h n o l o g i e s ，s o m en o v e ld e s i g n sa l ev e r yn o t i c e a b l ei n r e c e n t y e a r s f i n a l l ys e v e r a lc o m p a c tm i c r o s t r i pa n t e n n a sa r ed e s i g n e da n ds i m u l a t e dw i t h g o o dp c r f o r m a n c ea n dn o v e lc o n f i g u r a t i o n k e yw o r d s ：m i c r o s t r i pa n t e n n a s ，w i d e b a n d ，m l u t i - b a n d s 独创性声明 本人声明所呈交的学位论文是本人在导师指导下进行的研究工 作及取得的研究成果。据我所知，除了文中特别加以标注和致谢的地 方外，论文中不包含其他人已经发表或撰写过的研究成果，也不包含 为获得电子科技大学或其它教育机构的学位或证书而使用过的材料。 与我一同工作的同志对本研究所做的任何贡献均已在论文中作了明 确的说明并表示谢意。 签名：，客兰窒鑫日期：枷年肛月日 关于论文使用授权的说明 本学位论文作者完全了解电子科技大学有关保留、使用学位论文 的规定，有权保留并向国家有关部门或机构送交论文的复印件和磁 盘，允许论文被查阅和借阅。本人授权电子科技大学可以将学位论文 的全部或部分内容编入有关数据库进行检索，可以采用影印、缩印或 扫描等复制手段保存、汇编学位论文。 ( 保密的学位论文在解密后应遵守此规定) 签名：= i 熹童鑫导师签名：蝤：墨鱼 日期：。珈矿年，。月，日 ， 电子科技大学硕士论文 第一章前言 1 1 小型化微带天线宽带多频技术的意义以及必要性 微带天线是在带有导体接地板的介质贴片上贴加导体薄片而形成的天线。它利 用微带线或者同轴线等馈线馈电，在导体贴片与接地板之间激励起辐射电磁场，并 通过贴片四周与接地板之间的缝隙向外辐射。因此微带天线也可以看做一种缝隙天 线。通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 天线一类。 微带天线以其低剖面，重量轻，易制作，低成本等优点而广泛应用于无线通信 终端中，但是窄带宽限制其应用。一般微带天线带宽只有百分之几，在尺寸减小的 情况下带宽会更加小。但在实际应用中，往往急需带宽大于1 0 ，尺寸为四分之一 波长，厚度为o 0 5 波长的小天线。所以，开发体积小，带宽宽( 1 0 ) 天线将必 然成为天线研究领域中的一个很重要的课题。 另一方面，为了充分利用频率资源，并且降低制作成本，有时候我们需要能够 同时工作在多个频段的多频天线。多频天线的最大优点就在于在一个辐射单元上实 线多个天线的工作性能，这就大大简化了收发终端辐射系统的设计，在小型化无线 通信设备中，这一点尤其显得重要。 1 2 小型化微带天线宽带，多频技术国内外发展动态及趋势 众所周知，微带天线一般都是半波长的，工作在t m 。或者t m o ，模，其谐振频率 可由下式大致确定： f = c 2 l ( c , ) 7 2 由上式可以看出，微带辐射器的谐振长度与( e ，) ”成正比。那么使用大介电常数的 介质就可以减小辐射器的尺寸，这是减小天线尺寸最简单的办法。 利用短路技术来减小天线尺寸非常常见。由于辐射器和接地板短接，微带辐射 器的谐振长度就由二分之一波长变为四分之一波长。用短路针代替短路面，天线的 电子科技大学硕士论文 尺寸还可以进一步减小，一般可以减小到原来的3 0 ( 1 ) 。而把短路技术应用到等 边三角形贴片中，则可以获得近9 0 的尺寸减小，十分可观( 2 ) 。 延长贴片表面电流路径同样也是减小尺寸有效的方法。通常的办法是在贴片的 非辐射边开槽，这样据相当于增长了辐射器的有效表面电流路径。从而大大减小天 线的尺寸( 3 ) 。另外将天线的辐射片做成空间的折叠结构，也不失为一种很好的办 法( 4 ) 。 随着天线尺寸的减小，天线的阻抗带宽也会随着减小。为了增大天线的带宽， 简单的方法就是增加天线的高度，但是这样一来，就相应地增大了天线的剖面尺寸， 另外还会带来同轴电感效应等问题。通常采用的办法是在贴片或者接地板上开一些 缝隙，以降低天线的品质因数，从而提高天线的阻抗带宽。 对于使用厚空气层介质的天线，由于使用同轴馈电而引入较大的同轴感抗效应。 从而影响天线的带宽。针对这个问题，出现了很多的解决办法。诸如u 型缝隙技术 ( 5 ) ( 6 ) ，e 型贴片技术 7 ) ，v 型贴片技术( 8 ) ，以及改进的同轴馈电技术( l 探 针技术( 9 ) ，l 状微带线馈电 1 0 ) ，缝隙耦和馈电( 1 l ，1 2 ) ) 等等。运用以上这 些技术，天线的带宽一般可以达到2 5 以上。 同时激励起两个或者两个以上相距较近谐振模式是提高阻抗带宽的很好的办 法。一般是在辐射贴片上刻蚀恰当的缝隙( 1 3 ，1 4 ) ，这种方法不仅提高了通信的 阻抗带宽，还保持微带通信低剖面的优点。一般可将微带通信的带宽提高2 3 倍： 双频工作在微带通信的研究中也是一个很重要的领域。传统的方法是使用多层 贴片，不同的贴片对不同的频率谐振，但这样会增加天线加工的难度和成本。而采 用在贴片上刻蚀缝隙( 1 5 ) ，以及使用通过改进的耦和馈电( 1 6 ) 则比较简单易行。 例如在各种形状的贴片上刻蚀成对的缝隙 1 7 ，1 8 ) 就获得了较好的双频双极化的 工作性能。另外在贴片的中心线上适当位置增加短路针，并且在中线上选取适当的 馈电位置，也可以获得双频工作性能( 1 9 ) ，而在辐射贴片上刻蚀诸如交叉十字形 缝隙，对称的弯曲型缝隙，偏心矩形或者偏心圆形缝隙等等，则可以获得很好的双 频垂直极化天线( 2 0 2 2 ) 。 随着无线通信终端的小型化，便携式的发展趋势，作为收发前端天线系统也必 然朝着小型化发展。所以，在小天线的设计中，体积小，带宽宽，支持多频工作的 天线将日益成为研究和开发中备受关注的对象。 电子科技大学硕士论文 1 3 本人所作工作及主要贡献 在本课题中，本人首先通过大量阅读近年来微带天线方面的文献资料，并且从中 获得了不少的天线理论和设计方面的知识。这些工作，在本论文的前几个章节有教 详尽的阐述。随后，本人对有关的电磁仿真软件诸如c s t ，i e 3 d 等进行了细致的学 习和实践。在进行天线设计的过程中，针对目前天线研究设计的热点和趋势，设计 出了数个宽带，多频的小微带天线。 第一个天线模型是工作在2 4 g h z 2 4 8 g h z 和5 o g h z 5 8 g h z 两个频段的双频 天线。在设计中，具有创新地对小天线的接地板进行改造，得到低频段更好的匹配， 使得天线的性能有所提高。 第二个天线模型是一个e 型贴片微带天线，工作在2 4g h z 2 4 8g g z 和5 0 g h z 5 86 h z ，该设计在e 型宽带贴片天线的基础上，获得了双频的工作特点，增 大了天线的工作范围。关于两个设计的具体过程，将在论文的第五章有详尽的叙述。 第三个天线模型为改进型的p i f a ，通过对短路面的改进，使得天线的阻抗带宽 大大提高，该结构新颖别致，天线性能优越。 电子科技大学硕士论文 第二章微带天线的相关理论 2 1 微带谐振器的辐射机制 如图2 i 所示，结构最简单的微带天线是由贴在带有金属接地板的介质基片上 辐射贴片所构成的。贴片导体通常是铜或金，形状可以任取。尽管通常我们都采用 规则形状以简化分析和预测其性能，但是随着计算物理领域各种新型分析方法的成 熟和各种电磁仿真软件的兴起，现在我们对各种形状的贴片可以很方便地进行电磁 仿真，而且经过研究我们发现，各种形状不规则的贴片结构往往会给带来天线性能 方面很大程度上的提高。 图2 1 微带天线的结构 微带天线相对于其他形式的天线结构，具有它明显的优点，它重量轻，体积 小，很容易生成共形结构；制造成本低，易于大批量生产；稍微改变馈电位置就可 以获得线极化和圆极化；较容易制成多频工作的形式；适合于和组合式设计( 比如 微波放大器，移向器等都可以直接加到天线基片上) ；馈电和匹配网络可以和天线 同时制作。但是它也同时存在一些缺点，损耗大，增益低等，尤其是微带天线很窄 的带宽，大大限制了它的性能( 一般的微带天线只有百分之几的带宽) 。所以，在 保持其固有优点的基础上，提高微带天线的带宽，一直都是天线设计者们十分关心 的焦点。本文就是针对这一方面的问题，进行带宽增强技术的研究和探索。 为了介绍微带天线的辐射机制，我们就以一简单矩形贴片为例加以说明。如 图2 a 所示，假定电场沿着微带结构的宽度和高度方向没有变化，则辐射器的电场 4 电子科技大学硕士论文 结构可以由图2 b 表示，电场仅沿约为半波长的贴片长度方向变化。辐射基本上是 由贴片开路边沿的边缘场引起的，在两端的场相对于地板可以分解为法向分量和切 向分量，因为贴片的长度是半波长，所以法向分量反向，由它们产生的远区场在正 面方向上互相抵消。平行于接地板的切向分量同向，因此，合成场增强，从而使得 垂直于贴片的方向上辐射最强。所以，贴片可以表示为相距半波长，同向激励并向 上半空间辐射的两个缝隙。 o l j ” 幽 i 时 图2 2a ) 矩形微带贴片b ) 侧视图c ) 俯视图 也可以考虑电场沿宽度的变化，这时候微带贴片的电场就可以用贴片周围的四 个缝隙来表示。同样，其他形式的微带天线都可以用沿贴片周围的一些缝隙来表示。 2 2 矩形微带天线的传输线模型 矩形贴片辐射器可以由辐射方向图，输入阻抗，增益，带宽，波瓣宽度，效率， 损耗，和q 因数来表征。因此，虽然分析方法很多，但是就设计成本和性能推算而 论，有一个最佳的方法，即可以用简单的表示式推算天线参数并于试验得到的结果 相一致。研究表明，传输线模型可得出适合大多数工程应用的结果，并且需要的计 算量不大。 微带辐射器单元可以看做一个场没有横向变化的传输线谐振器，场只沿长度变 电子科技大学硕士论文 化，且长度只有半个波长，辐射主要由开路端的边缘场产生。辐射器可以表示成在 ) 【一y 平面内，间距为l 的两个缝隙，对于单个缝隙，如图2 3 所示，离源点距离为 r 处的远区场为： 。一珈t r q = 一j 2 k 眠杀f ( 目，们，( 式2 1 ) e e = 0 式中 f c p ，庐，：! 髫k o h ：i 筹k o w 。i n 口c 式：，f p ，庐2 ! j i 磊! 岳8 i n 口式2 - 2 图乇缝熙的坐标系 刑，：喾 。 兀扔2 弋彖_ 拭2 3 同样，当中= n 2 时，f ( 0 ) 表示h 面方向性并 - i p a 表示为 f ：s i n 而( 警矿- 一c o s a ) 。i 。口 ( 式2 4 ) f 加2 1 匠了8 i “口 式2 电子科技大学硕士论文 因此，间距为l 的两个缝隙，其e 面辐射方向性为： 删，：哥k o h c o s f i 瞄吁k o l 。彩。龀，弓( 庐) 2 1 万盖r 0 0 8 吁。0 8 庐) ( 式2 5 而h 面方向性和l 无关，可以由式( 2 4 ) 表示。 将坡印亭矢量的实部对上半空间积分可得辐射功率，当h 1o 时，辐射功率为 p ：堕( 式2 6 ) 17 2 4 0 ，：r 2 式中 = p ( 业掣) 伽2 心n 伽( 式2 7 ) r = 蓦= 半 当 矽 凡，r ，= 9 0 厶矿， 对后者，缝隙的单位长度的辐射电阻为： b = 1 2 0 凡f 2 m 缝隙电纳可以用电容表示为； c ：业 j c z o 一 ( 式2 8 ) ( 式2 9 ) ( 式2 1 0 ) 式中，z o 是微带线的特性阻抗，c 是光速。因此，辐射元的输入导纳为 y , o = g + j b + k 筹黼c 龃 式中： 电子科技大学硕士论文 g 圳 = 警删z o 此模型的等效电路可表示如图2 4 所示。 o 一一 图2 ，4 微带辐射元的等效电路 微带元表示为传输线连接的两个导纳。因为在谐振时 谐振器的谐振频率可以表示为： t a n 肛2 而2 虿y o 呵a 输入导纳的虚部为0 ，所以 对于任惹馈电点情形，把缝隙导纳换算到该点即可得输入导纳。 驰) - 2 g c o s 2 ( 胸+ 华s i n ( f l 矿鲁洲2 阿，( 越1 4 ) 式中，z 是馈电点到拐角的距离，实际情况中，g y o 1 ，b y o 1 ，上式可以进一步 简化为： 匕( z ) 2 i i 丽2 g ( 式2 1 5 ) 如果馈电点沿着辐射元宽度方向移动，可以得到输入阻抗大幅度的变动，因此，对 所有的实际阻抗值，天线元均可以匹配。 微带天线的等效电路如图5 所示，通过距离l 】和l 2 对下式换算后， 匕= l = g 。+ 归。 ( 式2 1 6 ) 可得馈电点的输入导纳为： 【篙簪器器+ 丽z o c o s 再f l l 2 + 面j z os 丽i n f l l 2 zc o s p 厶 ( 越1 7 ) 1 ul。+ 尼os i n 肛lz 。c o s 卢岛+ 尼。s i n 厶 电子科技大学硕士论文 式中，z f l y w , z o 是微带天线的特性阻抗。 图25同轴馈电微带辐射器及其等效传输线电路 在同轴线端口处，探针可用一个集总感抗来表示 置罟协睁 因此，输入阻抗为： z f 。= 乙+ 成，( z f = l 一) 2 3 矩形微带天线设计中的一些参数设定 2 3 1 单元宽度 ( 式2 1 9 ) 设计的第一步是选择合适的介质基片，对于介质基片厚度为h ，天线工作频率 为f r 以及有较高辐射效率的辐射器，其适用宽度为： 2 寿( 彳e + 1 ) - i ” ( 2 2 0 ) 当然也可以选择其他的宽度，但是选用小于这个宽度时，辐射效率低：高于这 个宽度是，将会产生高次模，从而引起场的畸变( 然而在实际的天线设计中尤其是 宽带多频天线的设计中，我们往往会利用这一特点，具体细节见以后的阐述) 。 2 3 2 单元长度 谐振单元长度l 可以表示为 电子科技大学硕士论文 l = 二名一2 , 5 1 2 f ? _ s ? 其中有效介电常数e 。a 线伸长量a1 表示如下： t = 丁g + 1 + t 6 r - - | ( 1 + 爷”， 丝：o 4 1 2 ( g + 0 3 ) ( w h + 0 2 6 4 ) 2 3 3 辐射电阻，品质因数和损耗 辐射电阻可以由前面的模型分析理论求出，与辐射电阻有关的品质因数q ， 为： q ，= 2 f - w t | p ? 式中，w r 是谐振时的储能；p r 是辐射功率。并且 睇= 三毛t 址形 因此 g = 筹 r = 。2 7 f 参g ，的单位是g h “ (式226)30t r = _ a n n $ 面h a d 姊2 “ g = 警 其中 r r = 耳+ r d + r 电子科技大学硕士论文 天线效率定义为辐射功率和输入功率之比，可以用上面的等效电阻表示为 7 1 = 耳r r + 1 0 0 ( 式2 2 8 ) 2 3 4 带宽 馈线的电压驻波比( v s w r ) 小于s 的微带天线带宽可以表示为 b v ： q t 0 s ( 式2 2 9 ) 一般情况下，选取较厚的，介电常数较低的基片，可以获得较大的带宽。但是 增加厚度，可能会影响天线低剖面的优点。微带天线的典型值一般为百分之几，所 以窄带宽是微带天线受限的最大缺点。可以用增加辐射器电感的方法来增大带宽， 在微带线上刻缝隙或孔，或者附加电抗分量也可以改善辐射器同馈线的匹配。 2 3 5 方向性系数和增益 天线的方向性系数定义为主波束中的最大功率密度与平均辐射功率密度之比 间距为l 的双缝隙微带天线的e 面方向性系数为： 仉2 羔 其中，9 1 2 是归- - 4 9 9 电导，如果9 1 2 1 ，则， d 。= 2 d 有效增益为： 瓴= 叩d ( 式2 3 0 ) 其中，r l 是天线的效率。一般情况下，对于给定e ，的基片，增益随厚度的增 大而增大，对于不同的e ，增益随e ，的增大而减小。 2 3 6 波瓣宽度 根据适用的要求，窄波瓣和宽波瓣都可以选用，半功率波瓣宽度等于增益减 电子科技大学硕士论文 小3 d b 或者辐射场减小到1 4 2 ，是两方向之间的夹角 后，可以用下式近似得出： - 2 c 时i 志广22 1 + = 芒o 0 8 e = 2 c o s - 1 c 鼎 在作一些近似或者数学运算 式中，9b l 8b e 分别为h 面和e 面的半功率宽度。 2 4 实际徽带天线的设计考虑 除了阻上的分析，在实际设计中，还有一些同样重要的方面，如场的极化，工 作频率离散等。 2 4 1 极化 矩形贴片天线的极化通常是线极化，但是对于矩形贴片的顶角馈电，经研究 证实，也可以获得圆极化，当l w = i 0 2 9 时，顶角馈电的矩形贴片在正面方向上应 产生圆极化，并且可以通过选取适当的顶角，可得左旋或者右旋圆极化。矩形或者 方形元的圆极化也可以用激励两个相位差9 0 0 的正交模来得到，如图2 6 所示，这 些天线即有e 。分量，也有e 。分量。 图2 , 6 工作于圆极化的方形微带贴片 电子科技大学硕士论文 k e 仃研究了一种产生圆极化的技术，塑蜮垒垫篓的金属带奎徵带辐身寸：器的 、皇尘皇嘭动，则谐振频率是金属带相对于馈电轴走向的函数，这个结果己用于圆极 化辐射器的研制，它是对称的，单点馈电的，并且在相同频率上比线极化天线的尺 寸小。图2 7 给出了有旋圆极化微带辐射器，它具有单馈电点和同轴电轴成4 5 0 角 的矩形极化片，如果把矩形片转9 0 0 ，或者把馈电点移动到邻边，则成为左旋圆极 化。 图2 7 矩形极化片与馈电轴成4 5 0 角的右旋圆极化方形微带辐射器 2 4 2微带天线的双频工作或频率离散工作 在许多应用中，微带天线的带宽太窄是一个严重的局限，甚至不能适用。幸好， 有各种技术可以得到双频或者频率离散工作。 获得矩形微带天线双频工作的简单方法是使得单元的长度对一个频率谐振，其 宽度对另一个频率谐振，并且从相邻的两边馈电。另外，用这种方法通过参差调谐 也能增加单元的带宽。还有另外一种方法，如图2 8 所示，单元的高频部分是不言 而喻的，单元周围的导电边缘不在电路中而是连接到高频片上以降低谐振频率。把 这个结构调整到对低频为圆极化。连接高频片和边缘需要一个电路，使得在高频时 呈现开路而在低频式呈现短路。在上工作频率是下工作频率的两倍时，这个电路可 以很方便地用来对上频为二分之一波长而对下频为四分之一波长的传输线来实现。 电子科技大学硕士论文 图2 8 双频徽带贴片天线 背负式天线是双频工作天线的另一个例子，它是叠放的两个微带天线，共用一 个孔径，但各自分别馈电，以便使得两个独立的信号能够辐射，如图2 9 所示，单 元可以是四分之一或者二分之一波长微带辐射器，但是，应该把较大的单元放在下 边以便给上面的单元提供一个良好的接地板。 昔 霹耋 图2 9双频工作背负式微带天线 电子科技大学硕士论文 第三章微带天线宽带技术 微带天线宽带技术中，比较传统的方法就是使用多个谐振单元，利用直接耦和 或者间接耦合的共面谐振单元一般可以达到1 0 以上的带宽( 薄介质材料) 1 , 2 。 在小型化通信天线中，为了在减小尺寸的情况下增大其带宽，往往在设计中采用较 厚的空气或者泡沫( f o a m ) 介质，但是这样就会由于长同轴馈线的使用而增大其感 抗效应，从而影响其带宽及其他性能( 带宽一般都限制在1 0 以下) 。可以通过对同 轴馈电以及辐射片进行改造克服这个缺点，而且很容易就可以使得天线的带宽达到 2 5 以上。在同轴馈电改进方面，包括诸如缝隙耦合同轴馈电( g a p c o u p l e dp r o b e f e e d ) 6 ，7 】，电容耦合馈电( c a p a c i f i v e l yc o u p l e df e e d ) 7 , 8 ，l 型同轴馈电 ( l - p r o b e l s t r i pc o u p l e d f e e d ) 8 1o ，立体馈电( t h r e e d i m e n s i o n a l m i c r o s t r i p t r a n s i t i o nf e e d ) 1 1 】等。而在辐射单元改造方面，包括u 型缝隙贴片( u - s l o t t e d p a t c h ) 2 4 ，e 型贴片( e - p a t c h ) 3 - - 5 ，三维v 型贴片( t h r e e d i m e n s i o n a lv s h a p e d p a t c h ) 1 0 】等。 3 1 使用多个谐振单元 我们可以在一矩形贴片的辐射边或者非辐射边，增加一些谐振单元，通过直接或 者间接耦合作用，增大天线的带宽( 1 ) 。如图3 1 所示，主辐射片的两侧相互平行 的两个辐射片对主辐射片产生缝隙耦合：而直接耦合部分则通过一细线连接于主辐 射片的辐射边上。通过适当的调节，使得4 个谐振片的谐振长度有较小的差别，我 们就可以获得4 个谐振频率相距很近的谐振模式，进而获得较大的带宽。如图2 1 所 示，主辐射片的尺寸为l l + w l ( p a t c h l ) ，直接耦合和缝隙耦合贴片的尺寸分别为 l 2 w 2 ( p a t c h 2 ) ，l 3 + w 3 ( p a t c h 3 ) ，l 4 * w 4 ( p a t c h 4 ) ，贴片2 通过一长l ，宽w 的细线和贴 片1 连接，贴片3 ，4 , 1 1 通过宽度为s 的缝隙进行缝隙耦合( 1 ) 。图中的l 2 ，l 3 ，l 4 都适当 与l 1 有所不同，以产生3 个距主激励模较近的另外3 个激励模。通过调节位于贴片1 中心线上的同轴馈电的位置，可以获得较好的阻抗匹配。 电子科技大学硕士论文 图3 1 天线的结构图 图3 2 所示为其回波损耗( s 1 1 ) ，可以明显地看出，4 个相距很近的谐振模式，使 得天线获得近1 2 7 ( 3 6 5 m h z ) 的阻抗带宽( 一1 0 d b ) ；而在不加耦合贴片的情况 下，带宽仅为2 ( 5 4 m h z ) ，两者相比之下，前者将阻抗带宽提高将近6 3 5 倍。图 3 3 所示为天线在4 个谐振频点上的辐射方向图，可以看出，h 面的方向性很好，而 在e 面则稍稍产生一些畸变：天线在工作带宽内的增益稳定性也较好，变化小于 2 5 d b i 。 孽 g 墨 盖 f 崩p 掣t m h 鸡 图3 2 天线的回波损耗 。遁叠。翁篚薹蔫。垂虱螽 t n h i d _ 瘟撼 国 “韫“2 2 ；孙 。 0， i m 图3 3 天线e 面，h 面的辐射方向图 a ) f = 2 7 2 9 m i - i z b ) f = 2 7 9 0 m h zc ) f = 2 8 7 5 m h zd ) f = - 3 0 4 5 m h z 电子科技大学硕士论文 3 2u 型缝隙贴片天线 在使用厚度较大的空气介质情况下，在辐射贴片上刻蚀适当尺寸的u 型缝隙是 一种相当有效的增加带宽的方法 2 ) 。如图3 4 所示，空气层厚度为1 2 m m ，辐射片 尺寸为6 0 t1 0 t n m 2 。 图3 4 宽带同轴馈电u 型缝隙贴片天线 众所周知，在使用厚空气介质的时候，就必然会增大同轴馈线的长度，相应地， 有同轴线而带来的感抗效应也会相应增加，从而影响天线的匹配。而u 型缝隙的引 入，就相当于引入了一个容性的元件，来抵消同轴感抗，以达到增加带宽等性能 ( 1 2 ) 。如图3 5 所示为天线的回波损耗，相对于中心频率1 8 1 5 m h z 的一1 0 d b 阻抗 带宽为5 0 0 m h z ( 约2 7 5 ) 。 呻u 舭h 图3 5 天线的回波损耗 图3 ，6 为天线在两个谐振频点处的辐射方向图，从图中可以看到e 面有很好的辐 射性能，而在h 面则有较大的交叉极化。对于厚空气介质层的小天线来说，这一点 是难免的。同时在设计中，我们还发现，高频谐振模对u 型缝隙的横臂较敏感；而 低频谐振模则很大程度上受整个缝隙长度的影响，我们可以利用这一点，通过适当 调节横臂和两纵臂的长度来控制天线的匹配。 电子科技大学硕士论文 3 3e 型贴片天线 疆缀 r m 逊翁 = = 赫 m 图3 6 天线的辐射方向图a ) f = 1 6 1 5 m h zb ) f = - 1 9 5 5 m h z 使用e 型贴片，同样可以获得较理想的带宽效应 3 5 ) 。在工艺上，e 型贴片 就是在贴片的边缘并列切割两个较宽的缝隙，使得整个贴片看起来象大写的英文字 母e 。当然，这种设计不仅适用于矩形贴片，同时还可以用于圆形，三角形等贴片。 如图3 7 所示，矩形贴片尺寸为l m ，天线高度为h ，采用空气介质，两个槽的宽为 w i , 长为l l ，两槽之间的距离为w 2 。同轴馈线位于贴片的中心线上，通过调节如的大小， 可以获得最佳的匹配。通过试验，可以看出，当槽的长度大约为( 0 7 一一o 8 5 ) l ， 两槽外缘间距约为0 2 7 w 时，天线将有最佳带宽。如图3 8 所示，两种设计方案均获 得近2 5 的阻抗带宽。 图3 7 宽带e 型天线 晕 电子科技大学硕士论文 誊 三 n q 畸吲m h 确 图3 8 天线回波损耗正= 6 5i n l n ，矿= 1 0 5 m m ，a n dg r o u n d - p l a n e s i z e = 1 5 0 1 5 0 r a m 2 a n t e n n aa ：h21 4 3 m m ，= 4 7 m m ，w l 。6 3 1 1 1 1 ，w 221 5 3m m ，a n d 却21 0m m a n t e n n a b ：h = 1 5 7 m i l l ，= 5 3 m m ，w l = 1 0 r e a l ，w 2 = 8 i n r l l ，a n d 却= 1 3 m m 和u 型缝隙天线一样，这种结构的方向图在h 面同样具有较大的交叉极化。如图 3 9 所示。 3 4 三维v 型贴片天线 ：磁感二 。二一。 ：磁感主 ! 一，。 忿 图39 天线a 辐射方向图 ( a ) ，= 1 4 8 5m h z ， ( b ) 厂21 6 4 4m h z ，( e ) f 21 7 4 0m h z 使用三维v 型贴片结构，大大减小了所需同轴馈线的长度，从而减小了由同轴 带来的感抗效应。在很宽的频带内可以获得较好的阻抗匹配 1 2 ) 。如图3 1 0 所示， v 型贴片的尺寸为l w ，其底线距接地板约2 m m ( 约0 0 1 5 波长) 。这个长度情况 蕊一绒一绒 电子科技大学硕士论文 下，由同轴馈线引入的感抗是非常小的，贴片顶端距接地板距离h 2 约为2 1 r a m ，这 样就使得整个天线的有效高度增大，增大天线的带宽，图3 1 1 为其回波损耗，可以 看出，其一1 4 d b 带宽达1 8 ，图3 1 2 为其中心频率处的方向图。 图3 1 0 同轴馈电v 型贴片宽带天线 f 嗤q w f 唧f 眦 图31 1 天线回波损耗；l = 6 0 m i l l ，w = 9 0 i n l n ，h l = 2 m m ， h 2 = 2 1t o n i ，a n dg r o u n d - p l a n es i z e = 18 0 1 2 0i i l l q 2 - - - - - - - 一e o - p o l - - - - - t m s - p o | 图3 1 2 天线在2 1 9 4 m h z 处的辐射方向图 禧 电子科技大学硕士论文 3 , 5 加载i n t e g r a t e dr e a c t i v e 贴片天线 图3 1 3b o w t i e 宽带微带天线；s r = 4 4 ，h = 1 6m m ， a n dg r o u n d - p l a n es i z e = 7 7x5 5m m 2 在贴片天线的辐射端，插入微带的线结构，可以使得天线获得双频的工作特点， 在这种设计中，插入的微带线结构相当于在天线上加载了i n t e g r a t e dr e a c t i v e 通过调 节i n t e g r a t e dr e a c t i v e 的参数，可以使得两个谐振频点靠得近一点，进而达到宽带工 作的效果。如图3 1 3 所示为一同轴馈电i 拘b o w t i e 状i n t e g r a t e dr e a c t i v e = j 1 载的天线结构 ( 1 3 ) ，b o w t i e 贴片的张角为d ，宽2 4 9 m m ，两辐射片间距为3 7 3 m m ，插入的微带 线结构呈阶梯状，在这种设计中，基谐振模被分割为两个相距很近的蜕化模，有效 地提高了天线的带宽。 如图3 1 4 所示为a 分别为o n 3 0 0 的时候，天线的回波损耗，带宽分别达4 2 4 6 。图3 1 5 为n = 3 0 。时的辐射方向图，两个谐振模都有相似的辐射特性。 图3 1 4 天线的回波损耗( a ) 。4 “怒咖 口= o o ，( b ) d = 3 0 0 。 电子科技大学硕士论文 3 6改进同轴馈电方式 对于一般的空气介质层较厚的同轴馈电微带天线，匹配方面的主要问题就是由 于长馈线带来的感抗效应。针对这个问题出现了很多的解决方案。一种办法就是在 辐射片馈电点的周围刻蚀一环行或者矩形的缝隙( 6 ，7 ，通过调节缝隙的尺寸， 可以相应地抵消同麴蹙揎效应，从而在较宽的频带内有良好的匹配。 逾毒疆 凌耵翁 i 一a 图3 1 5 天线在a = 3 0 0 时的辐射方向图( a ) f = 1 7 2 5m h z ，( b ) f = 1 7 6 3m h z 使用容性耦和馈电，l - - p r o b e l s t r i p 耦和馈电等( 7 ，8 ) ，同样可以达到相应 的效果。另外一种新颖的改进同轴馈电方式是将同轴馈线和辐射片之间通过一个矩 形片相连接( 1 4 ) ( 当然也可以是梯形，弯曲状等其他形状) 。如图3 1 6 所示，在 这种情况下，尽管空气层的厚度大，但是却不需要很长的同轴馈线，同轴感抗的影 响就大大减小。 图3 1 6 新颖同轴馈电宽带微带天线 电子科技大学硕士论文 第四章小型化微带天线的双频技术 在微带天线的设计中，双频工作模式是很重要的一个研究课题( 1 ) ，已经出现 的双频技术诸如使用多层贴片( 2 , 3 ) ；在矩形片的辐射边附近刻蚀缝隙 4 ) ，带 有矩形n o t c h 的方形贴片【5 ，带有短路针和缝隙的矩形贴片 6 ) ；i n c l i n e d 缝隙 耦和的矩形贴片( 7 ) 等。最近，出现了很多单一馈电，单层结构的双频技术 8 1 5 ) 。 然而，这些技术一般都使用于一般尺寸的天线在以下的叙述中，我们着重介绍一些 小型化天线的双频技术，同时，也简要介绍一下双频或三频的倒f 天线( p l a n a r i n v e r t e d fa n t e n n a ，p l e a ) 的一些技术。 4 1 缝隙加载的b o w t i e 状贴片微带天线( 1 6 ) 相对于一般的矩形贴片，b o w t i e 贴片有较小的尺寸( 1 6 ) ，在贴片的两个辐射 片附近，增加一对窄缝隙，则可以使得该天线有双频工作的性能。如图4 1 所示， b o w - t i e 状贴片的张角为n ，宽度为w ，谐振方向的长度定为l ，在距两辐射边各约 为l m m 地方，刻蚀出一对l m m l 的缝隙。馈电位置在距离贴片中心d 。的中心线上。 可以看出，t m l o 模和t i v l 3 0 模得到较强的激励。同时，通过调节馈电位置，可以获得 最佳的匹配点。 一。筐互函譬z 耋互= l f e e d ，一吣 器一l 口一4 图4 1 双频b o w - t i e 贴片天线 如图4 2 所示为n 分别为0 0 ，2 0 0 ，3 0 0 时，天线的回波损耗，可以看出，t m l o 模和t m 3 0 有较好的匹配；并且，f l o 较6 0 对张角a 更为敏感。表4 1 为天线频比 电子科技大学硕士论文 等参数，可以看出，随着a 的变化，天线的频比变化范围约在2 o 一一3 0 之间。 图4 2 天线回波损耗：r r = 44 ，h = 1 6 衄， = 3 7 5h i m ，= 2 5 2m ，卢2 0 7 ，a n d 出= 2 7 “ 表4 1 天线的双频参数 图4 3 为当n = 3 0 0 时，天线在两个频段的辐射方向图，可以看出，在两个频段 上，天线有相同的极化方式，尤其在e 面的交叉极化很小。 】【m号一留q_gj蕾瞄 电子科技大学硕士论文 妒繇蕊，绣惫 一州 ：一“酬 一 蚴 - 图43o = 3 0 0 时天线辐射方向图；( a ) ，= 1 3 6 0 m h z ，( b ) ，= 3 6 1 5 m h z 4 2短路针加载双频贴片天线 在矩形贴片的中心线上增加一短路针，并且在中心线上选取适当的馈电位置， 可以使得天线的两个谐振频率都获得较好的匹配，从而可以实现单一馈电的双频工 作。如图4 4 所示( 1 7 ) ，矩形贴片尺寸为w l ，介质厚度为h ，不加短路针时，矩 形贴片就是单纯的 2 天线，当短路针选取在x _ 一l 2 ，y = 0 。馈电点选取在中心线上 距短路针附近的位置，t m l o 模和t m 3 0 模得到很好的激励。 图44 加短路针的双频矩形贴片天线 从图4 5 可以看出，谐振频率为短路针位置的函数。不加短路针时，天线的谐振 频率为1 g g h z ，当短路针很靠近辐射片边缘的时( d 。= 1 r a m ) ，第一个谐振频点为 f i = 7 2 2 m h z ，第二个谐振频, , 占, , t 2 = 2 3 1 0 m h z ，随着短路针位置朝贴片中心移动，f 1 增加， f 2 减小，使得频比减小。当移至贴片中心位置时( d l = o 5 ) ，频比为2 0 ，f l = 9 5 0 m h z ，f 2 德凌 电子科技大学硕士论文 = 1 9 g h z ，这说明天线的频比变化范围为2 o 一一3 2 。 图45 两谐振频率和短路针位置的关系，p r = 4 4 ，h = 1 6m m ， l = 3 7 3 r a i n ，矿= 2 4 8 7 m m ， s = 0 3 2 m m ，a n dr p 20 6 3 m m 通过试验还可以看出，合适的馈电位置一般选取在短路针附近约1 m m 的位置。 如图4 6 所示，当短路针位置选在距离贴片边缘l m m 时，两个谐振频点分别为 7 2 2 m h z 和2 3 1 0 m h z ，两频段的一1 0 d b 阻抗带宽分别为1 4 ( 低频) 和1 8 ( 高 频) 。图4 7 为天线在2 3 1 0 m _ h z 处的辐射方向图，可以看出h 面较e 面有更大的交叉 极化。 除了矩形贴片以外，圆形，三角形，b o w t i e 形等贴片都可以利用此技术实现双 频工作。 图4 6 天线的回波损耗，d s = 11 3 1 1 2 1a n d 却= 2 7 2 m 1 1 l 电子科技大学硕士论文 _ p 0 | 。一o 酬啤l - _ 。 图4 7 天线在2 3 1 0 m h z 的方向图，d s = 1 1 1 1 1 1 1a n d 却= 2 7 2r f l n l 4 3 十字形缝隙双颏正交极化矩形贴片天线 在贴片上刻蚀诸如十字形，t 形，弯曲形等缝隙，亦可以获得双频工作特性。 在这种设计中，两个谐振模式呈现出正交极