微帶天線小型化研究

摘要 隨著現(xiàn)代移動(dòng)通信技術(shù)的發(fā)展和軍事上的需求，通信天線正向著小型化、多功能(多頻段、多極化和多用途)的方向發(fā)展。而微帶天線以其剖面薄體積小成本低等優(yōu)點(diǎn)而被廣泛應(yīng)用于無線通信系統(tǒng)。本文剖析了當(dāng)代微帶天線研究的情況，對其發(fā)展過程做了回顧，提出了有待發(fā)展的方面，總結(jié)了現(xiàn)在國內(nèi)外比較流行的幾種微帶天線小型化的集中方法，并分析了每一種的優(yōu)缺點(diǎn)。

關(guān)鍵詞微帶天線;小型化

中圖分類號(hào)TN82文獻(xiàn)標(biāo)識(shí)碼A文章編號(hào)1673-9671-(2009)111-0028-02

微帶天線的概念早在1953年就由Deschamps提出。從70年代起，微帶天線隨著應(yīng)用領(lǐng)域的快速擴(kuò)展而開始被廣泛的研究和使用。

當(dāng)代，隨著移動(dòng)通信系統(tǒng)業(yè)務(wù)的不斷增加，通信設(shè)備不斷向小型化發(fā)展，對天線體積，集成化及工作頻段的要求也越來越高。在某些通信場合，所用的頻段很低，例如低于1GHz，有時(shí)甚至只400-500MHz，此時(shí)傳統(tǒng)的半波長微帶天線尺寸偏大。為此必須采用一定措施進(jìn)一步減小微帶天線的尺寸。現(xiàn)代移動(dòng)通信要求天線能具有多頻段(或?qū)掝l帶)工作的能力。設(shè)計(jì)出實(shí)用的小型化，多頻度微帶天線己經(jīng)成為一個(gè)迫切的要求。研究和設(shè)計(jì)性能優(yōu)良的小型化多頻段微帶天線是本論文的主要工作。在必須考慮大小、重量、價(jià)格、特性要求、易安裝以及符合氣體動(dòng)力外觀等因素的高性能飛機(jī)，衛(wèi)星以及全球定位系統(tǒng)，移動(dòng)通訊和無線通訊等諸多高度發(fā)展的應(yīng)用中都需要具有低剖面，能平貼于任何平面或曲面的外觀特性，易制作，而且易與微波集成電路集成等優(yōu)點(diǎn)的微帶天線。而微帶天線本質(zhì)上所具有的高品質(zhì)因數(shù)，窄頻帶，低效率等缺點(diǎn)也大大限制了它們的應(yīng)用。因此，越來越多的研究投入放在如何改善它們的缺點(diǎn)，充分利用它們的優(yōu)點(diǎn)，使它們更適合于實(shí)際的應(yīng)用上。

早期發(fā)展的結(jié)構(gòu)為堆疊式與共平面式的結(jié)構(gòu)，之后隨著頻率比，極化要求以及整體天線體積上的要求，并配合不同的饋入方式而有各種不同設(shè)計(jì)結(jié)構(gòu)出現(xiàn)。例如有使用多個(gè)寄生元件或兩個(gè)獨(dú)立輻射元件的結(jié)構(gòu)，有利用單一饋源或同時(shí)使用兩個(gè)獨(dú)立饋源在不同位置的設(shè)計(jì)，也有利用植入電抗性負(fù)載的設(shè)計(jì)，這些電抗性負(fù)載廣義而言包括短路同軸微帶，嵌入的微帶線，短路棒，變?nèi)荻O管，槽孔等等。在解決微帶天線窄頻帶特性的問題上，各種設(shè)計(jì)不斷推陳出新，所利用的方法也不斷被開發(fā)并互相結(jié)合。例如有使用低介電常數(shù)的厚介質(zhì)基底的設(shè)計(jì)，植入貼片電阻等損耗性元件的設(shè)計(jì)，植入集成式電抗性負(fù)載的設(shè)計(jì)，在饋入端設(shè)計(jì)匹配網(wǎng)絡(luò)，堆疊結(jié)構(gòu)的設(shè)計(jì)，寄生元件的設(shè)計(jì)，植入槽孔以及利用槽孔耦合饋電的方式等等。

但是上述方法也存在不足，有時(shí)會(huì)影響天線其它性能指標(biāo)。例如，使用短路探針加載，在縮減天線尺寸的同時(shí)，也帶來一些缺點(diǎn)，一方面使阻抗匹配依賴于短路探針的位置及其饋電點(diǎn)的距離，給制造公差提出了苛刻的要求，另一方面是帶寬縮減，如若使用電抗性元件加載同樣會(huì)造成帶寬縮減，如若使用電阻性器件，雖然有助于展開頻帶，但是電阻性元件對能量的消耗將降低天線的效率。因此 ， 如果采用新的技術(shù)在實(shí)現(xiàn)小型化微帶天線多頻段，寬頻帶工作性能的同時(shí)，兼顧其它天線性能指標(biāo)，如效率，增益，極化等，成為研究的熱點(diǎn)和難點(diǎn)。

1 微帶天線小型化的方法

1.1采用特殊材料基片

增大基片厚度，降低基片的介電常數(shù)，可以有效的展寬帶寬。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。這類高介質(zhì)天線的主要缺陷是:(1)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。(2)帶寬窄。為提高增益，常在天線表面覆蓋介質(zhì)如圖1所示。

采用鐵氧體材料制成的微帶天線實(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%)，但鐵氧體在微波頻段損耗很大。有機(jī)高分子磁性材料在寬溫度范圍內(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。

1.2 天線加載

在微帶天線上加載短路探針，可以提高諧振頻率以調(diào)諧天線。將短路探針替換為低阻抗的切片電阻，在進(jìn)一步降低諧振頻率的同時(shí)還可以增加帶寬。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，典型結(jié)構(gòu)如圖2所示。天線的諧振頻率主要取決于短路探針的粗細(xì)和位置 ，天線尺寸可縮減 50%以上。其缺點(diǎn)是: (1) 阻抗匹配極大地依賴于短路探針的位置及其與饋電點(diǎn)的距離Δ，往往需要饋電點(diǎn)的精確定位和十分微小的Δ，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較高。

將短路探針替換為低阻抗的切片電阻，在進(jìn)一步降低諧振頻率的同時(shí)還可增加帶寬。隨加載電阻增大，天線品質(zhì)因素降低，帶寬展寬，制造公差降低，但這些性能的提高以犧牲增益為代價(jià)。一般地，若加載1Ω切片電阻，增益下降約1.5dB。此外，加載切片電容也可有效降低諧振頻率，減小天線尺寸，但帶寬有所減小。

1.3 表面開槽

當(dāng)在貼片表明開不同形式的槽或者細(xì)縫時(shí)(如圖3所示)，切斷了原先的表面電流路徑，是電流繞槽邊曲折流過而路徑變長，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，它可模擬為在貼片中插入一無限薄的橫向磁壁。選擇是黨的槽從而控制貼片表面電流以激勵(lì)相位差90°的極化簡并模，還可形成圓極化輻射，以及實(shí)現(xiàn)雙頻工作。圖4為表面開槽的口徑耦合饋電的小型圓極化貼片天線。

這類天線結(jié)構(gòu)簡單，成本低廉，加工方便，其特點(diǎn)是:隨槽的長度增加，天線諧振頻率降低，天線尺寸減少，但尺寸的過分縮減會(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，開發(fā)實(shí)用化、易調(diào)諧的此類天線尚待深入研究。

1.4 附加有源網(wǎng)絡(luò)

縮小無源天線的尺寸，會(huì)導(dǎo)致輻射電阻減小，效率降低。在微帶天線中加入有源網(wǎng)絡(luò)，使微帶天線的相對帶寬達(dá)到50%，并且在寬頻帶內(nèi)微帶天線的輸入阻抗都得到了很好的匹配?？衫糜性淳W(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:⑴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)20~30。⑵增益高(可達(dá)10dB以上)，方向性好。⑶便于實(shí)現(xiàn)阻抗匹配。⑷易實(shí)施天線方向圖，包括主播方向、寬度、前后輻射比等的電控。⑸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題。

1.5 采用特殊形式

一些形狀的微帶貼片天線可以拓展頻帶和實(shí)現(xiàn)天線的小型化。例如蝶形，倒F形，倒三角形，L形，E形，雙C形等等。

2總結(jié)

總的來說，各種方法都存在缺陷，所以一般為了改善天線的性能，常綜合采用多種方法。天線的性能如增益、帶寬與小型化及加工制作之間相互牽制，相輔相成，必須在這幾項(xiàng)指標(biāo)之中尋求適應(yīng)特定需要的最佳平衡點(diǎn)，來適應(yīng)實(shí)際的需要。隨著科技的發(fā)展，更加精巧的微帶天線將在科研工作者的奮斗中誕生，功能將日趨完善應(yīng)用也更加廣泛。

參考文獻(xiàn)

[1]Waterhouse R B et al . Design and performance of small printed antennas. IEEE Trans. Antennas Propagat ， vol.46，pp.1629-1633， Nov.1998.

[2]Wong K L， Lin Y F. Small broadband rectangular microstrip antenna with chip-resistor loading. Electron. Lett. ，vol. 33， pp. 1593-1593， Sept. 1997.

[3]Yang F et al. Wide-band E-shaped patch antennas for wireless communications. IEEE Trans. Antennas Propagat， vol. 49， pp. 1094-1100， July 2001.

[4]薛睿峰，鐘順時(shí).微帶天線小型化技術(shù).電子技術(shù)，2002，3.

作者簡介:

袁小燕(1983- )，女，蒙古族，江蘇南京人， 南京信息職業(yè)技術(shù)學(xué)院助教，學(xué)士，主要研究方向:微波通信。